內(nèi)核架構(gòu)

內(nèi)核的基礎(chǔ)知識

所有現(xiàn)代的操作系統(tǒng)在設(shè)計師都包含一個稱為內(nèi)核（kernel）的組件喇聊，是整個系統(tǒng)的核心。內(nèi)核就是操作系統(tǒng)。從高層次看睡榆，所有運行的應(yīng)用程序?qū)嶋H上是內(nèi)核的“客戶”场航，而內(nèi)核向客戶提供各種服務(wù)缠导，即系統(tǒng)調(diào)用（system call）。
內(nèi)核也是一個調(diào)度器旗闽。所有現(xiàn)在的操作系統(tǒng)都是搶占式的多任務(wù)（preemptive multitasking）系統(tǒng)酬核，而實際上，程序的數(shù)目可以遠多于處理器（或核心）的數(shù)目适室。內(nèi)核必須判斷哪一個程序（或進程嫡意、或線程）運行在哪一個處理器/核心上。
內(nèi)核提供的另一組服務(wù)就是安全服務(wù)（security service）捣辆，用戶最容易感受到的安全服務(wù)是許可（permission）和權(quán)限（right）蔬螟，這些機制可以保證系統(tǒng)中各種資源的完整性、隱私性以及公平實用汽畴。

內(nèi)核架構(gòu)

巨內(nèi)核

巨內(nèi)核（monolithic旧巾，也稱為宏內(nèi)核、單內(nèi)核）架構(gòu)是“經(jīng)典”的內(nèi)核架構(gòu)忍些，而且仍然是UNIX和Linux 世界采用的主要內(nèi)核架構(gòu)鲁猩。巨內(nèi)核采取的方式是將所有的內(nèi)核功能：不論是基礎(chǔ)功能還是高級功能，全部放在一個地址空間中罢坝。在這個架構(gòu)的內(nèi)核中廓握，線程調(diào)度和內(nèi)存管理，以及文件系統(tǒng)嘁酿、安全管理隙券、甚至設(shè)備驅(qū)動都在一起。Linux的內(nèi)核實現(xiàn)非常接近于標準的UN*X 內(nèi)核闹司，其架構(gòu)圖如下：

Linux 內(nèi)核架構(gòu).png

所有的內(nèi)核功能都實現(xiàn)在同一個地址空間中娱仔。為了進一步優(yōu)化，巨內(nèi)核不僅將所有的功能都組織在同一個地址中游桩，還將這個地址映射到每一個進程的內(nèi)存中牲迫。在巨內(nèi)核架構(gòu)中，從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換非常高效借卧，基本上就是一次線程切換的開銷恩溅，內(nèi)核的內(nèi)存頁面映射在所有進程的地址空間中，也就是說谓娃，除非硬件強制將內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)隔離外脚乡，兩者之間其實沒有任何分別。所有的進程，不論所有者或者功能奶稠，都包含一份內(nèi)核內(nèi)存的拷貝俯艰，就好像包含共享庫的拷貝一樣。此外锌订，這些拷貝都映射到了同一組物理頁面竹握，而且是常駐內(nèi)存的物理頁面。這樣不僅結(jié)束了寶貴的RAM辆飘，而且避免了系統(tǒng)調(diào)用時產(chǎn)生重大開銷啦辐，這一點尤其重要，使得系統(tǒng)調(diào)用好用戶態(tài)融為一體蜈项。

微內(nèi)核

盡管微內(nèi)核（microkernel）不是那么常見芹关，但是微內(nèi)核卻是我們要關(guān)注的重點。因為XNU的核心組件Mach就是一個微內(nèi)核系統(tǒng)紧卒。

一個微內(nèi)核只包含最核心的功能侥衬，代碼也是最精簡的。內(nèi)核值復(fù)制完成最最關(guān)鍵的部分：任務(wù)調(diào)度跑芳、內(nèi)存管理轴总，其他功能都交給外部服務(wù)程序（通常是用戶態(tài)）完成。服務(wù)程序之間完全被隔離開博个，服務(wù)程序之間的所有通訊都是由消息傳遞（message passing）完成怀樟。消息傳遞機制允許將消息（通常是透明的）以及后續(xù)消息投遞至服務(wù)程序的隊列中排隊，服務(wù)程序可以從隊列中取出消息并且依次處理盆佣。微內(nèi)核架構(gòu)如下圖：

微內(nèi)核架構(gòu).png

微內(nèi)核的優(yōu)點：

• 正確性
• 穩(wěn)定性和健壯性
• 靈活性

微內(nèi)核的缺點：

• 性能差

混合內(nèi)核

混合內(nèi)核（hybrid kernel）試圖結(jié)合兩種內(nèi)核（巨內(nèi)核和微內(nèi)核）的好處往堡。內(nèi)核的最核心部分支持底層服務(wù)，包括調(diào)度罪塔、進程間通信（inter-process cimmunication，IPC）和虛擬內(nèi)存养葵，是自包含的征堪，這一部分像微內(nèi)核一樣。所有其他的服務(wù)都實現(xiàn)在這個核心者外关拒，但是也在內(nèi)核態(tài)中佃蚜，而且和這個核心在同一個內(nèi)存空間中。

OS X 的 XNU 是一個混合內(nèi)核着绊，XNU 的核心 Mach 最早是一個真正的微內(nèi)核谐算，現(xiàn)在Mach 的原語仍然是圍繞著消息傳遞的基礎(chǔ)構(gòu)建的。然而归露，消息通常是以指針形式傳遞的洲脂，因此沒有昂貴的復(fù)制操作。這是因為大部分服務(wù)現(xiàn)在都在同一個地址空間中執(zhí)行（因此也被歸為巨內(nèi)核）剧包。類似的恐锦，建立在 Mach 之上的BSD層一直都是巨內(nèi)核往果，而且這個子系統(tǒng)也在同一個地址空間中。

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)

Intel 架構(gòu)：ring

基于Intel的系統(tǒng)提供了所需要的基于硬件的分離一铅。從286處理器開始陕贮，Intel 引入了“保護模式”的概念（在386中得到了極大的增強）。保護模式強制使用了4個“ring”潘飘。這些“ring0”指的就是權(quán)限級別肮之，分別從0到3編號。這些“ring”以同心圓的方式組織卜录，最內(nèi)層的ring為 ring 0戈擒，最外層的為ring 3。 ring 0的權(quán)限最高暴凑，通常被稱為超級用戶模式（Supervisor mode）峦甩。只有最受信任的代碼才能運行在處理器的ring 0上。隨著ring級別遞增现喳，安全限制越多凯傲，權(quán)限也越低。
ring 0對應(yīng)的是內(nèi)核態(tài)嗦篱，ring 3對應(yīng)的是用戶態(tài)冰单。 ring 1 和 ring 2 預(yù)留給操作系統(tǒng)服務(wù)使用，但是在實際中卻沒有使用灸促。ring 編號較小的代碼可以隨意切換到編號更大的ring诫欠，但是決不允許編號更大的ring切換到編號更小的ring，除非編號較小的ring已經(jīng)建立好了一個調(diào)用門（call gate）機制浴栽。

ARM架構(gòu)：CPSR

ARM 處理器使用了一個特殊的寄存器：當前程序狀態(tài)寄存器（current program status register荒叼，CPSR）來定義處理器所在的模式，ARM 處理器有以下主要的操作模式典鸡，如下表：

模式|表示模式的位|用途
---|---|
USR|10000|用戶模式 --- 不允許操作
SVC|10011|管理器模式（默認的內(nèi)核模式）
SYS|11111|系統(tǒng)模式 --- 同用戶模式被廓，但是允許寫入CPSR
FIQ|10001|快速中斷請求
IRQ|10010|普通中斷請求
ABT|10111|終止模式 --- 錯誤的內(nèi)存訪問
UND|11011|未定義模式 --- 非法/不支持的指令

USR 是唯一沒有特權(quán)的模式，在內(nèi)核通常運行組SVC模式萝玷。在任何特權(quán)模式中嫁乘，都可以直接訪問CPSR寄存器，隱藏只要修改CPSR中的模式位即可切換模式球碉。在用戶態(tài)蜓斧，必須使用一種用戶態(tài)/內(nèi)核態(tài)轉(zhuǎn)換機制。

內(nèi)核態(tài)/用戶態(tài)轉(zhuǎn)換機制

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換機制有兩種類型：

• 自愿轉(zhuǎn)換：當應(yīng)用程序要求內(nèi)核服務(wù)的時候睁冬，應(yīng)用程序可以進行一個調(diào)用進入內(nèi)核態(tài)挎春，通過一個預(yù)定義的硬件指令可以開始進入內(nèi)核態(tài)的切換。這些內(nèi)核服務(wù)稱為系統(tǒng)調(diào)用
• 非自愿轉(zhuǎn)換：當發(fā)生執(zhí)行異常、中斷或處理器陷阱的時候搂蜓，代碼的執(zhí)行會被掛起狼荞，并且保留發(fā)生錯誤時候的完整狀態(tài)“锱觯控制權(quán)被轉(zhuǎn)交給預(yù)定義的內(nèi)核態(tài)錯誤處理程序或中斷服務(wù)程序（interrupt service rountine相味，ISR）

Intel 上的陷阱處理程序

• ** 異常：陷阱/錯誤/終止**
  在Intel 架構(gòu)上，中斷向量的前20個單元定義為異常（exception）殉挽；異常指的是處理器在執(zhí)行代碼的時候可能碰到的所有非正常狀況丰涉。異常的情況分為以下3種

• 錯誤(fault)：指令遇到一個可以糾正的異常，并且處理器可以重新啟動這條出現(xiàn)異常的指令斯碌，這種異常稱為錯誤一死。一個常見的例子是頁錯誤，當某個虛擬內(nèi)存地址表示的頁面不足物理RAM中是發(fā)生頁錯誤傻唾。出現(xiàn)錯誤的時候投慈，執(zhí)行錯誤處理程序，完成之后返回到生成這個錯誤的指令冠骄。

• 陷阱(trap)：類似于錯誤伪煤，但是錯誤處理完成后返回發(fā)送陷阱指令之后的那條指令。

• 中止(abort)：不可重啟指令凛辣。

• 中斷
  中斷是由 CPU 中的一個特殊組件產(chǎn)生的抱既。這個組件稱為可編程中斷控制器（Programmable Interrupt Controller，PIC）扁誓，在更加高級的CPU中防泵，稱之為高級可編程中斷控制器（Advanced PIC，APIC）蝗敢。PIC 接收來自系統(tǒng)總線上的設(shè)備的消息捷泞，然后將消息分揀到某一條中斷請求（Interrupt Request，IRQ）線上去寿谴。當產(chǎn)生中斷的時候锁右，PIC將相應(yīng)的中斷標記為活躍。在這個中斷被一個函數(shù)（稱為中斷處理程序或中斷服務(wù)程序）處理或服務(wù)完成之前拭卿，這條中斷線一直保持活躍狀態(tài)骡湖。處理這個中斷的函數(shù)要負責(zé)重置這條線的狀態(tài)贱纠。
  以前的PIC（稱為XT-PIC）只要16條中斷線峻厚，范圍為0~15。而現(xiàn)代的APIC 允許多大255條這樣的中斷線谆焊。如果需要的話惠桃，IRQ線可以被多個設(shè)備共享。
  一般性的經(jīng)驗法則，只要滿足一下條件辜王，中斷就會被分發(fā)出去：

• 對應(yīng)的中斷請求線當前不忙（中斷線忙說明前一個中斷還沒處理完）或被屏蔽（被屏蔽說明處理器或處理器核心忽略這條中斷線）

• 沒有編號更低的中斷線狀態(tài)為忙

• 本地CPU/處理器核心沒有（通過底層CLI/STI匯編指令）禁用所有的中斷

• 在Intel 架構(gòu)上XNU對陷阱和中斷的處理
  XNU實際上將Intel 的異常統(tǒng)一稱為“陷阱”劈狐。大部分操作系統(tǒng)內(nèi)核都不會為每一個陷阱設(shè)置獨立的處理程序，而是為所有的陷阱設(shè)置一個處理程序呐馆，然后這個處理程序通過switch( ) 進行不同的處理肥缔，或者根據(jù)預(yù)定義的表跳轉(zhuǎn)到不同的函數(shù)。XNU的做法也是如此汹来，定義了TRAP宏和USER_TRAP宏续膳，這些宏通過其他有一些宏（IDT_ENTRY_WRAPPER和PUSH_FUNCTION）設(shè)置棧。

• ARM上陷阱處理程序
  ARM的架構(gòu)比Intel 簡單多了收班。在ARM的角度看坟岔，任何非用戶態(tài)都是通過一個異常或者一個中斷進入的摔桦。因此系統(tǒng)調(diào)用是利用SVC指令通過模擬的中斷完成的社付。SVC 是“SuperVisor Call”的簡稱，過去成SWI邻耕，即SoftWare Interrupt(軟件中斷)鸥咖，其實過去的這個名稱更為準確：當時這個指令執(zhí)行的時候，CPU 自動將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給及其的陷阱向量赊豌，在陷阱向量中有一個預(yù)定義的內(nèi)核指令正在等待扛或，通常是分支跳轉(zhuǎn)到某個具體處理程序的指令。
  內(nèi)核要負責(zé)設(shè)置好CPU 支持的所有模式的陷阱處理程序碘饼。iOS 的內(nèi)核要依照下表列出的陷阱處理程序設(shè)置ExceptionVectorsBase熙兔，從而完成陷阱處理程序的設(shè)置。

自愿的內(nèi)核轉(zhuǎn)換

當用戶態(tài)的程序需要內(nèi)核服務(wù)的時候艾恼，會發(fā)出一個系統(tǒng)調(diào)用住涉，系統(tǒng)調(diào)用將控制權(quán)轉(zhuǎn)換交給內(nèi)核。實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用的方法有兩種：

• 模擬中斷：Intel 架構(gòu)遺留的傳統(tǒng)方法钠绍。 ARM 采用這種方法（通過SVC/SWI指令）

• 指令：SYSENTRY 和 SYSCALL

• ARM上的自愿內(nèi)核轉(zhuǎn)換
  ARM架構(gòu)沒有專門的系統(tǒng)調(diào)用指令舆声，仍然是使用系統(tǒng)調(diào)用。內(nèi)核加載的時候會覆蓋所有的陷阱處理柳爽，其中包括軟件中斷（SWI）處理程序媳握。當用戶態(tài)程序執(zhí)行SVC指令的時候，控制權(quán)轉(zhuǎn)交給處理程序fleh_swi磷脯，CPU 進入內(nèi)核模式蛾找。

系統(tǒng)調(diào)用的處理

大部分人都熟悉POSIX系統(tǒng)調(diào)用。然而在XNU中赵誓，POSIX 系統(tǒng)調(diào)用只是4種系統(tǒng)調(diào)用的類別之一：

• POSIX/BSD 系統(tǒng)調(diào)用
  POSIX/BSD 的接口是 XNU 暴露出來的主要接口，這些在內(nèi)部稱為“UNIX 系統(tǒng)調(diào)用”或“BSD 調(diào)用”

• unix_syscall
  BSD 系統(tǒng)調(diào)用的流程如下：
  （1）驗證傳入的狀態(tài)快照和處理器架構(gòu)是否相匹配
  （2）通過current_task 獲得當前BSD 進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)幻枉。檢查這個BSD 進程確實存在
  （3）如果系統(tǒng)調(diào)用號為0碰声，那么說明這是一個非直接的系統(tǒng)調(diào)用。相應(yīng)地修正參數(shù)
  （4）系統(tǒng)調(diào)用傳遞的參數(shù)應(yīng)該是64位的熬甫。對于64未的處理程序來說胰挑，如果系統(tǒng)調(diào)用的闡述不能全部通過寄存器進行傳遞（即參數(shù)數(shù)目大于6的情況），則需要一些額外的工作椿肩，多余的參數(shù)需要復(fù)制到棧上洽腺。在32位的處理程序中，需要對參數(shù)進行mung操作覆旱。mung指的是從用戶態(tài)復(fù)制參數(shù)的同時保持32位/64位兼容性的過程
  （5）執(zhí)行sysent表中的系統(tǒng)調(diào)用
  （6）在很罕見的情況下蘸朋，系統(tǒng)調(diào)用可能會表示需要重新執(zhí)行，重新執(zhí)行是由pal_syscall_restart( )處理的
  （7）系統(tǒng)調(diào)用返回的錯誤碼放在返回寄存器中（Intel：EAX/RAX 寄存器扣唱；ARM：R0 寄存器）
  （8）系統(tǒng)調(diào)用處理通過thread_exception_return( )返回（在iOS 上通過load_and_go_user 返回）藕坯，這個函數(shù)的處理和return_from_trap( )相同，在返回的過程中會處理 AST

• sysent
  sysent 表維護了 BSD 的系統(tǒng)調(diào)用噪沙。這個表是一個由名稱類似的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成的數(shù)組

• ** Mach 陷阱**
  在32位OS X 或 iOS 上系統(tǒng)調(diào)用編號為負炼彪，或者在64位系統(tǒng)上類別為Mach，那么內(nèi)核流程進入Mach陷阱處理的流程正歼，而不是BSD 系統(tǒng)調(diào)用的處理辐马。Mach 陷阱的處理程序成為mach_call_munger[64]

• mach_call_munger
  Mach 陷阱是有mach_mall_munger[64] 處理的。UNIX 和 Mach 調(diào)用的參數(shù)都要進程 mung 處理局义，32 位的 unix_syscall 依然包含 munging 操作的代碼

• mach_trap_table
  mach_trap_table 是一個mach_trap_t 結(jié)構(gòu)體數(shù)組喜爷。之后跟著是mach_syscall_name_table，其中保存了對應(yīng)的名字萄唇。

• 機器相關(guān)的調(diào)用
  除了Mach 陷阱和 UNIX 系統(tǒng)調(diào)用外檩帐， XNU 還包含機器相關(guān)的調(diào)用。
  這些調(diào)用的主要功能是和CPU 緩存相關(guān)（例如MMU 失效相關(guān)的指令和數(shù)據(jù)緩存相關(guān)的指令）另萤，確實反映了“機器相關(guān)”的本質(zhì)

• machdep_call_table
  機器相關(guān)的調(diào)用也有自己的分發(fā)表：machdep_call_table湃密，大部分機器相關(guān)的調(diào)用在Intel架構(gòu)上沒有用，在32位架構(gòu)上四敞，有設(shè)置LDT和GTD的調(diào)用泛源。在64 位架構(gòu)上，只要一個調(diào)用：tthread_fast_set_cthread_self函數(shù)忿危。這個函數(shù)設(shè)置處理器的控制寄存器c13和c0达箍。在ARM中調(diào)用機器相關(guān)調(diào)用的方法是：將R12 設(shè)置為0x8000 0000，然后在R3 中傳入調(diào)用編號

• 診斷調(diào)用
  這一類系統(tǒng)調(diào)用專門用于診斷癌蚁。這一類系統(tǒng)調(diào)用只定義了一個診斷調(diào)用：diagCall/diagCall64幻梯。在Intel 時代，XNU 的diagCall 功能只支持一個診斷代碼：dgRuptStat(#25)努释，用于查詢或重置每一個CPU的中斷統(tǒng)計信息