1.操作系統(tǒng)的內(nèi)核
內(nèi)核?是計(jì)算機(jī)上配置的底層軟件唯鸭，是操作系統(tǒng)最基本、最核心的部分硅确。實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核功能的那些程序就是內(nèi)核程序目溉。
可以看到內(nèi)核的主要功能有：時(shí)鐘管理唠粥、中斷管理、原語(設(shè)備驅(qū)動(dòng)停做、CPU切換等)。還有對(duì)系統(tǒng)資源的管理功能：進(jìn)程管理大莫、存儲(chǔ)器管理蛉腌、設(shè)備管理等功能。有些操作系統(tǒng)不把這部分功能歸為"內(nèi)核"功能只厘，不同的操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)核功能的劃分可能不一樣烙丛。
2.宏內(nèi)核與微內(nèi)核
宏內(nèi)核
簡(jiǎn)單的講宏內(nèi)核就是操作系統(tǒng)是個(gè)大管家，幾乎包辦一切羔味，用戶應(yīng)用程序的需求直接向內(nèi)核提出就行河咽；微內(nèi)核更像一個(gè)代理人，幾乎所有的驅(qū)動(dòng)赋元、文件系統(tǒng)全部運(yùn)行在與用戶應(yīng)用程序平級(jí)的用戶模式下忘蟹。
UNIX 系統(tǒng)，1971 年誕生于大名鼎鼎的貝爾實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái) PDP-11/24 機(jī)器上搁凸，其后經(jīng)過不斷發(fā)展與傳播媚值，在 80 年代取得了巨大成功，UNIX 被移植到眾多的處理器架構(gòu)护糖，并在眾多行業(yè)得到廣泛使用褥芒，甚至成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)影響至今。
UNIX 以及類 UNIX 系統(tǒng)如 Linux 都是典型的宏內(nèi)核設(shè)計(jì)嫡良，也就是把所有系統(tǒng)服務(wù)都放到內(nèi)核里锰扶，因?yàn)橄到y(tǒng)服務(wù)代碼之間存在大量數(shù)據(jù)交換和大量的服務(wù)請(qǐng)求，而在同一個(gè)代碼段內(nèi)進(jìn)行函數(shù)調(diào)用（C 語言）或跳轉(zhuǎn)（匯編或者機(jī)器碼時(shí)代）是最直接寝受、最高效的方法坷牛，在同一片地址空間也方便數(shù)據(jù)交換，所以這樣的宏內(nèi)核設(shè)計(jì)是很自然的很澄。
微內(nèi)核
微內(nèi)核設(shè)計(jì)的基本思想是簡(jiǎn)化內(nèi)核功能漓帅，在內(nèi)核之外的用戶態(tài)盡可能多地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)，同時(shí)加入相互之間的安全保護(hù)痴怨。內(nèi)核只提供最基礎(chǔ)的服務(wù)忙干，比如多進(jìn)程調(diào)度、多進(jìn)程通信（IPC）等浪藻。其中進(jìn)程通信是作為連接應(yīng)用與用戶態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的橋梁捐迫。
微內(nèi)核則把更多的系統(tǒng)服務(wù)（例如文件系統(tǒng)、POSIX 服務(wù)爱葵、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧甚至外設(shè)驅(qū)動(dòng)）放到用戶態(tài)應(yīng)用施戴，形成一個(gè)個(gè)服務(wù)反浓，等待其他應(yīng)用的請(qǐng)求。
微內(nèi)核在效率方面肯定是處于劣勢(shì)的赞哗，所以目前的主流操作系統(tǒng)如Linux和Windows本質(zhì)上使用的都是宏內(nèi)核雷则，當(dāng)然有讀者可能會(huì)提出Windows使用的是混合內(nèi)核，不過這種混合內(nèi)核也是以效率優(yōu)先的扁平化架構(gòu)肪笋，本質(zhì)上還是宏內(nèi)核月劈。
下面重點(diǎn)說說微內(nèi)核
微內(nèi)核這個(gè)概念從提出開始就在不斷地發(fā)展、完善進(jìn)步之中藤乙，到目前為止可以分為三代猜揪。
第一代微內(nèi)核：從無到有
第一代微內(nèi)核的主要代表是 Mach，該系統(tǒng)由美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)的 Avie Tevanian 和 Richard Rashid 主導(dǎo)開發(fā)坛梁。在 Mach 剛剛開始設(shè)計(jì)時(shí)而姐，UNIX 的發(fā)展正如日中天，所以Mach在設(shè)計(jì)時(shí)的一大目標(biāo)就是兼容 UNIX划咐，但是與 UNIX 不同的是 Mach 嘗試使用微內(nèi)核架構(gòu)去設(shè)計(jì)拴念。Mach 以 IPC 是作為所有系統(tǒng)服務(wù)與內(nèi)核交換數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)機(jī)制，充分運(yùn)用 IPC褐缠、虛擬內(nèi)存丈莺、多進(jìn)程等特性將冗余的系統(tǒng)服務(wù)移出內(nèi)核作為進(jìn)程運(yùn)行。
1986年送丰，經(jīng)過兩年的開發(fā)缔俄，第一版的 Mach 發(fā)布后的第二年，Mach 就發(fā)布了第2版器躏，不過由于時(shí)間倉促俐载，加之沒有足夠的人手與資金，所以此時(shí) Mach 內(nèi)核并不提供完全的系統(tǒng)服務(wù)登失。
為了支撐系統(tǒng)上層運(yùn)行遏佣，這一版的內(nèi)核包含了大量 4.3 版本的 BSD 系統(tǒng)（UNIX的一個(gè)分支）代碼提供系統(tǒng)服務(wù)，并且 BSD 系統(tǒng)服務(wù)運(yùn)行在內(nèi)核狀態(tài)揽浙，這導(dǎo)致 Mach 內(nèi)核的代碼體積甚至大于常規(guī) UNIX 內(nèi)核状婶。
第一版和第二版的 Mach 主要做了如下工作：
1. 驗(yàn)證了微內(nèi)核的可行性；
2. 在多處理器計(jì)算機(jī)上進(jìn)行移植驗(yàn)證了微內(nèi)核在多處理器計(jì)算機(jī)上的運(yùn)行馅巷；
3. 最后為了提高?IPC（進(jìn)程通信）?的效率膛虫，Mach 使用共享內(nèi)存機(jī)制來完成?IPC。
而 Mach 的共享內(nèi)存機(jī)制是在虛擬內(nèi)存技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)的钓猬，只有需要對(duì)內(nèi)存進(jìn)行寫入時(shí)才進(jìn)行復(fù)制稍刀。這么一處理比每次都復(fù)制一遍內(nèi)存節(jié)省了內(nèi)存使用同時(shí)又加快了 IPC 機(jī)制的處理時(shí)間，這個(gè)改進(jìn)稱為寫時(shí)復(fù)制，并且在如今的通用操作系統(tǒng)如 Linux 中常常用到账月。
當(dāng)然此時(shí) Mach 內(nèi)核還不算完全的微內(nèi)核综膀。而考慮到微內(nèi)核可以更高效地利用多處理器計(jì)算機(jī)的處理器核心資源，人們期待著等 Mach 把系統(tǒng)服務(wù)都搬到內(nèi)核之外后可以把運(yùn)行效率損失降下來局齿。
同時(shí) Mach 在微內(nèi)核方面小小的嘗試迅速吸引了大批公司與組織的注意剧劝，開放軟件基金會(huì)（Open Software Foundation，OSF）宣布下一代系統(tǒng) OSF/1 將基于 Mach 的內(nèi)核抓歼， NeXTSTEP 也將使用 Mach2.5讥此， 甚至 IBM 也打算利用 Mach 構(gòu)建 Workplace OS。蘋果公司這個(gè)時(shí)候也出手了锭部，蘋果公司也從此基于 Mach2.5 打造其操作系統(tǒng)內(nèi)核 XNU，XNU的構(gòu)成如下圖所示面褐，Mach 作為內(nèi)核的內(nèi)環(huán)拌禾，外環(huán)右側(cè)是蘋果的驅(qū)動(dòng)框架（I/O Kit），外環(huán)左側(cè)是 BSD 的系統(tǒng)服務(wù)代碼提供 UNIX 兼容的服務(wù)層展哭，這三者共同協(xié)作向上層提供完整的系統(tǒng)服務(wù)湃窍。XNU 廣泛地使用在蘋果公司的 OSX、IOS等系統(tǒng)中匪傍。
這個(gè)時(shí)候由于 UNIX 系統(tǒng)廣泛使用帶來的商業(yè)利益您市，此時(shí) BSD 系統(tǒng)開發(fā)者與 UNIX 的擁有者 AT&T 陷入了法律大戰(zhàn)，Mach 使用的 BSD 相關(guān)代碼有了法律風(fēng)險(xiǎn)役衡。
提升性能的期望和規(guī)避法律風(fēng)險(xiǎn)的需求推動(dòng)著 Mach 3.0 的開發(fā)茵休，Mach 3.0 的開發(fā)目標(biāo)主要是為了替換 BSD 系統(tǒng)服務(wù)，同時(shí)盡量多地將系統(tǒng)服務(wù)放到內(nèi)核之外去運(yùn)行手蝎，成為名副其實(shí)的微內(nèi)核設(shè)計(jì)榕莺。
經(jīng)過眾多開發(fā)者 3 年的努力，Mach 3.0 于 1990 年發(fā)布棵介，但是由于在系統(tǒng)服務(wù)之間完全使用 IPC 通信钉鸯，而不是像宏內(nèi)核那樣直接進(jìn)行函數(shù)調(diào)用，即便是多處理器機(jī)器上運(yùn)行也性能損失慘重邮辽，Mach 3.0 最多比 UNIX 損失 67% 運(yùn)行效率唠雕，這導(dǎo)致 Mach 3.0 以及其所代表的第一代微內(nèi)核設(shè)計(jì)被看衰。此后斷斷續(xù)續(xù)有在 Mach 的基礎(chǔ)上對(duì)性能進(jìn)行提升的嘗試吨述，但是均不太理想岩睁，至此 Mach 成為了微內(nèi)核第一代先驅(qū)者
第二代微內(nèi)核：解決性能問題
第二代微內(nèi)核的主要代表是 L3 和 L4，以及 QNX 系統(tǒng)使用的 Neutrino 內(nèi)核揣云。前面第一代的微內(nèi)核 Mach 由于效率問題雖然失敗了笙僚，但是微內(nèi)核的理念并沒有被放棄，德國(guó)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Jochen Liedtke 認(rèn)為 Mach 的 IPC 效率低下的原因就是因?yàn)?IPC 部分不夠精簡(jiǎn)灵再，于是他開發(fā)了 L3 和 L4 微內(nèi)核肋层，對(duì) IPC 部分進(jìn)行了很徹底的精簡(jiǎn)：
1. 內(nèi)核的 IPC 機(jī)制只是單純地傳遞信息亿笤，諸如安全權(quán)限檢查這類的代碼都省略掉，省略掉的功能全部由用戶進(jìn)程自己處理栋猖。如此一來 IP C功能部分的代碼執(zhí)行時(shí)間大大縮短净薛；
2. IPC 不使用內(nèi)存?zhèn)鬟f消息，而使用寄存器傳遞消息蒲拉，同時(shí)限制 IPC 每次傳遞的信息長(zhǎng)度肃拜，這樣省去了對(duì)內(nèi)存的訪問時(shí)間。L4 微內(nèi)核的 IPC 速度經(jīng)過測(cè)試要比 Mach 快 20 倍雌团，這個(gè)令人驚訝的優(yōu)化效果吸引了眾多的目光燃领，使微內(nèi)核的研究重新火熱起來。后面 L4 內(nèi)核又發(fā)展出了很多相關(guān)系統(tǒng)锦援，比如 Pistachio猛蔽、L4/MIPS 與 Fiasco 等等，這些內(nèi)核組成了 L4 的大家族灵寺。
第二代微內(nèi)核的代表除了有 L4 內(nèi)核曼库，也還有其他微內(nèi)核比如 Exokernel、Rambler 等略板，不過商業(yè)上最成功的則是目前黑莓公司旗下的?QNX?系統(tǒng)所使用的 Neutrino 內(nèi)核（QNX毁枯，1980年誕生，最初以 QUICK UNIX 為名叮称，后改為?QNX种玛；2004 年 QNX 被 Harman 國(guó)際收購；2010 年 Harman 國(guó)際下被黑莓收購瓤檐，QNX 成為黑莓旗下的資產(chǎn)）蒂誉，QNX 主要為高可靠領(lǐng)域提供解決方案，比如交通距帅、能源右锨、醫(yī)療、航天航空等碌秸。
第三代微內(nèi)核：主要重視安全問題等
在前面兩代的基礎(chǔ)上绍移，第三代微內(nèi)核蓬勃發(fā)展，許許多多微內(nèi)核都被開發(fā)出來讥电，主要代表有：seL4蹂窖、Fiasco.OC、NOVA 等恩敌。
本來第一代微內(nèi)核的設(shè)計(jì)隔離了使內(nèi)核安全性降低的系統(tǒng)服務(wù)瞬测，讓系統(tǒng)服務(wù)漏洞不會(huì)影響內(nèi)核，進(jìn)而提高了內(nèi)核安全性，可以說是關(guān)上了破壞系統(tǒng)的門月趟， 但是第二代系統(tǒng)卻又給攻擊者開了個(gè)窗戶灯蝴。
由于第二代微內(nèi)核在內(nèi)核中省去了關(guān)于安全性檢查等步驟，把所有關(guān)于安全檢查功能的實(shí)現(xiàn)都交給系統(tǒng)服務(wù)自己去實(shí)現(xiàn)孝宗，這導(dǎo)致系統(tǒng)服務(wù)的通信接口直接暴露給用戶態(tài)穷躁，任何進(jìn)程都可能無限制地請(qǐng)求系統(tǒng)服務(wù)，系統(tǒng)服務(wù)不得不花費(fèi)額外的代價(jià)來區(qū)分請(qǐng)求是否合法因妇，容易造成拒絕服務(wù)攻擊问潭。
比如正常的文件服務(wù)應(yīng)該是從虛擬文件系統(tǒng)服務(wù)->文件系統(tǒng)服務(wù)->磁盤驅(qū)動(dòng)服務(wù)這個(gè)流程來完成的，但是如果攻擊者如果繞過虛擬文件系統(tǒng)服務(wù)婚被，直接無限制地請(qǐng)求攻擊者本身沒有權(quán)限訪問的文件系統(tǒng)服務(wù)狡忙，使文件系統(tǒng)服務(wù)長(zhǎng)期處于滿載狀態(tài)，讓其他進(jìn)程無法通過正常的虛擬文件系統(tǒng)得到文件系統(tǒng)服務(wù)址芯。為了增強(qiáng)安全性灾茁，且不過分影響性能，人們開始研發(fā)第三代微內(nèi)核是复。
seL4 是在第二代內(nèi)核 L4 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的删顶。seL4 不僅僅繼承了 L4 內(nèi)核家族的高性能特性竖螃，還具備基于端點(diǎn)（enndpoint）的 IPC 機(jī)制淑廊。
這種 IPC 機(jī)制最大的特點(diǎn)是使用了能力空間的概念，進(jìn)程在使用 IPC 請(qǐng)求系統(tǒng)服務(wù)時(shí)必須具備相對(duì)應(yīng)的能力特咆，進(jìn)程持有不可偽造的令牌來表示擁有請(qǐng)求某種服務(wù)的能力季惩。令牌可以被復(fù)制，可以被轉(zhuǎn)移腻格，還可以通過 IPC 進(jìn)行傳輸画拾。令牌其實(shí)是一個(gè)指向存在于內(nèi)核空間內(nèi)核對(duì)象的指針，所以普通進(jìn)程并不能修改自身以及其他進(jìn)程的權(quán)限分配菜职，但是內(nèi)核可以對(duì)令牌指定的權(quán)限進(jìn)行控制青抛，從而保證了用戶態(tài)不能繞過能力空間這個(gè)機(jī)制對(duì)系統(tǒng)服務(wù)造成濫用。
seL4 還是第一個(gè)完全通過形式化驗(yàn)證的內(nèi)核酬核，通俗說形式化驗(yàn)證就是在數(shù)學(xué)軟件的幫助下使用數(shù)學(xué)語言自動(dòng)化地推導(dǎo)檢查系統(tǒng)的每一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)蜜另。seL4 形式化驗(yàn)證相關(guān)論文。
其他的微內(nèi)核系統(tǒng)：Fuchsia嫡意、Minix
Fuchsia 是 Google 開發(fā)的一款全新操作系統(tǒng)举瑰，試圖覆蓋手機(jī)、平板甚至筆記本等一系列領(lǐng)域蔬螟。Google 為該系統(tǒng)配備了 Vulkan 圖形接口此迅、3D 桌面渲染 Scenic、Flutter 應(yīng)用開發(fā)框架，還有一個(gè)稱為 zircon 的微內(nèi)核耸序。
zircon 內(nèi)核是從高通平臺(tái)的一個(gè) Bootloader 項(xiàng)目：Little Kernel發(fā)展而來忍些。zircon內(nèi)核屬于微內(nèi)核設(shè)計(jì)，只提供?IPC佑吝、進(jìn)程管理坐昙、地址空間管理功能。zircon 區(qū)別于以進(jìn)程或者以文件為核心的設(shè)計(jì)芋忿，zircon 是以內(nèi)存為核心來設(shè)計(jì)的炸客，內(nèi)存在 zircon 中是以對(duì)象的方式存在，可以通過 channel 通信機(jī)制傳遞虛擬內(nèi)存對(duì)象（Virtual memory object）的句柄戈钢，進(jìn)程拿到句柄后可以把這塊內(nèi)存映射到自己的空間痹仙。
Minix 系統(tǒng)則由荷蘭阿姆斯特丹的 Vrije 大學(xué)的 Andrew S.Tanenbaum 教授所開發(fā)。
該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是可以故障隔離殉了，自動(dòng)重啟失敗的服務(wù)开仰。
Minix 使用分層設(shè)計(jì)，最底層的微內(nèi)核提供中斷處理薪铜、進(jìn)程管理众弓、進(jìn)程通信等服務(wù)，這一層運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)隔箍；中間層提供輪回服務(wù)（Reincarnation Server）谓娃、文件服務(wù)、進(jìn)程管理蜒滩、X 圖形服務(wù)以及驅(qū)動(dòng)等滨达，這一層運(yùn)行在用戶態(tài)，最上層為用戶進(jìn)程俯艰。
其中輪回服務(wù)負(fù)責(zé)在中間層的服務(wù)出現(xiàn)崩潰時(shí)重啟這些服務(wù)捡遍，從而保證服務(wù)的自我修復(fù)。Minix 由于其自我修復(fù)特性被英特爾管理引擎（ME）所選用竹握，該管理引擎主要負(fù)責(zé)管理英特爾芯片的內(nèi)部模塊画株。
華為的鴻蒙操作系統(tǒng)就是微內(nèi)核系統(tǒng)。
做一個(gè)比較簡(jiǎn)單的類比啦辐，如果把操作系統(tǒng)看成一家公司谓传，而宏內(nèi)核的特點(diǎn)是用戶請(qǐng)求直達(dá)內(nèi)核，內(nèi)核統(tǒng)一安排執(zhí)行昧甘，這代表此公司使用扁平化的管理架構(gòu)良拼，而微內(nèi)核的操作系統(tǒng)中則需要設(shè)立很多如驅(qū)動(dòng)，文件系統(tǒng)等部門充边，這顯示公司使用制度化庸推、等級(jí)化的管理架構(gòu)常侦。
上下文及上下文切換：這個(gè)名詞經(jīng)常出現(xiàn)在各類操作系統(tǒng)的書籍當(dāng)中，還是以公司為例贬媒，上下文就代表了處理一個(gè)項(xiàng)目所需要的相關(guān)材料聋亡、文件，而上下文切換則代表這些材料文件在不同部門（進(jìn)程）或者領(lǐng)導(dǎo)（CPU）之間的流轉(zhuǎn)际乘。
狀態(tài)保持（快照）及恢復(fù)：假設(shè)這樣一種場(chǎng)景坡倔，我正在領(lǐng)導(dǎo)的辦公室中匯報(bào)工作，此時(shí)外面另一個(gè)人有更重要的事情向領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)脖含，由于涉及權(quán)限問題需要我先退出他的辦公室罪塔，那么我在退出前需要做一次狀態(tài)快照，以便領(lǐng)導(dǎo)處理完緊急事務(wù)后可以繼續(xù)處理我的工作养葵。這就是計(jì)算機(jī)中狀態(tài)保持與恢復(fù)的過程征堪。
運(yùn)行效率宏內(nèi)核更優(yōu)：相信大家都有過跑部門跑公章的經(jīng)歷，很多時(shí)間关拒、精力都浪費(fèi)在了部門（進(jìn)程）之間的上下文切換(上文已經(jīng)釋義)中了佃蚜，微內(nèi)核在效率方面肯定是處于劣勢(shì)的，所以目前的主流操作系統(tǒng)如Linux和Windows本質(zhì)上使用的本質(zhì)上都是宏內(nèi)核着绊。
安全性的比較谐算，其實(shí)僅憑直覺就能得到正確結(jié)論。正如各位日常所見归露，正規(guī)軍隊(duì)采用的都是“下級(jí)服從上級(jí)洲脂、命令絕對(duì)執(zhí)行”的管理方式，而只有游擊隊(duì)才搞會(huì)扁平化管理的靶擦。其中邏輯也不難理解腮考，扁平化雖然能有比較高的效率雇毫，但是難免會(huì)在身份鑒別玄捕、數(shù)據(jù)傳遞的過程中出現(xiàn)紕漏，從而給入侵者可趁之機(jī)棚放。
我們也知道宏內(nèi)核的操作系統(tǒng)尤其是Windows枚粘，經(jīng)常會(huì)暴出安全漏洞，用戶在沒有泄露密碼且沒使用問題硬件的情況下飘蚯，還是會(huì)遭到被黑客入侵馍迄。所以在安全性對(duì)比上微內(nèi)核可謂優(yōu)勢(shì)明顯。
宏內(nèi)核vs微內(nèi)核?誰實(shí)時(shí)性強(qiáng)??這個(gè)問題的答案可能與讀者的第一反應(yīng)不同局骤，效率更優(yōu)的宏內(nèi)核在實(shí)時(shí)性方面的表現(xiàn)其實(shí)不如微內(nèi)核攀圈。那些對(duì)于實(shí)時(shí)性要求極高的軍用操作系統(tǒng)（如vxWorks等）使用的都是微內(nèi)核架構(gòu)。
總結(jié)：
微內(nèi)核效率比宏內(nèi)核慢峦甩，但在安全性赘来、可靠性方面要比宏內(nèi)核好现喳，在擴(kuò)展性方面微內(nèi)核也有優(yōu)勢(shì)。
從內(nèi)核構(gòu)架發(fā)展趨勢(shì)來說目前微內(nèi)核正在回歸犬辰，正好說明了微內(nèi)核與多處理器的硬件平臺(tái)配合會(huì)更好嗦篱。如果微內(nèi)核真正解決了效率方面的不足，那一定會(huì)有比Linux更為強(qiáng)勁的基于微內(nèi)核架構(gòu)的操作系統(tǒng)的出現(xiàn)幌缝。
