【操作系统】（三）内核

windows 和 linux 内核的区别

内核是操作系统中应用连接硬件设备的桥梁。

内核的能力

• 内核至少应该提供以下 4 种基本能力：
  • 管理进程、线程（决定哪个进程、线程使用 CPU）；
  • 管理内存（决定内存用来做什么）；
  • 连接硬件设备（为进程、和设备间提供通信能力）；
  • 提供系统调用（接收进程发送来的系统调用）。
• 操作系统分层

进程和内核的关系， 是不是像浏览器请求服务端服务？？

内核权限非常高，它可以管理进程、可以直接访问所有的内存，因此确实需要和进程之间有一定的隔 离。这个隔离用类似请求/响应的模型，非常符合常理。但是在浏览器、服务端模型中，浏览器和服务端是用不同的机器在执行，因此不需要共享一个 CPU。但是在进程调用内核的过程中，这里是存在资源共享的。

• 多数操作系统的设计都遵循一个原则：进程向内核发起一个请求，然后将 CPU 执行权限让出给内核。内核接手 CPU 执行权限，然后完成请求，再转让出 CPU 执行权限给调用进程。
  

linux的设计

• MultiTask 指多任务，Linux 是一个多任务的操作系统。多任务就是多个任务可以同时执行，当然 Linux 也支持并发
• SMP 指对称多处理：Linux 下每个处理器的地位是相等的，内存对多个处理器来说是共享的， 每个处理器都可以访问完整的内存和硬件资源。
• ELF 中把文件分成了一个个分段（Segment）,每个段都有自己的作用.
  
• Monolithic Kernel宏内核: Linux 是宏内核架构，这说明 Linux 的内核是一个完整的可执行程序，且内核用最高权限来运行,特点就是有很多程序会打包在内核中
• Microkernel 微内核，内核只保留最基本的能力。比如进程调度、虚拟内存、中断。多数 应用，甚至包括驱动程序、文件系统，是在用户空间管理的。宏内核的特点就是有很 多程序会打包在内核中

• 内核层和在用户层有什么区别吗？

分层其实差不多，区别在于比如说驱动程序是需要频繁调用底层能力的，如果在 内核中，性能肯定会好很多。对于微内核设计，驱动在内核外，驱动和硬件设备交互就需要频繁做内核 态的切换。

• 混合内核 : 架构和微内核类似，实现是宏内核.

• windows NT 内核 NT：new technology
• 也支持Multitask 和 SMP（对称多处理) , 混合类型的内核,
• 有自己的可执行文件格式 PE 。
  

内核态与用户态

Kernel 运行在超级权限模式（Supervisor Mode）下，所以拥有很高的权限。按照权限管理的原则，多 数应用程序应该运行在最小权限下。
操作系统将内存分成了两个区域：

• 内核空间（Kernal Space），这个空间只有内核程序可以访问.
• 用户空间（User Space），这部分内存专门给应用程序使用。
• 内核态：在内核态空间运行的程序 用户态 ： 在用户空间运行的程序。

系统调用过程

• 内核程序执行在内核态（Kernal Mode），用户程序执行在用户态（User Mode）。当发 生系统调用时，用户态的程序发起系统调用。因为系统调用中牵扯特权指令，用户态程序权限不足，因 此会中断执行，也就是 Trap（Trap 是一种中断）。
  

进程与线程

• 一个应用程序启动后会在内存中创建一个执行副本，这就是进程。Linux 的内核是一个 Monolithic Kernel（宏内核）,因此可以看作一个进程。也就是开机的时候，磁盘的内核镜像被导入内存作为一个 执行副本，成为内核进程。
• 进程可以分成用户态进程和内核态进程两类。用户态进程通常是应用程序的副本，内核态进程就是内核 本身的进程。如果用户态进程需要申请资源，比如内存，可以通过系统调用向内核申请。
• 程序在现代操作系统中并不是以进程为单位在执行，而是以一种轻量级进程（Light Weighted Process），也称作线程（Thread）的形式执行。
• 一个进程可以拥有多个线程。进程创建的时候，一般会有一个主线程随着进程创建而创建。

那么用户态进程如果要执行程序，是否也要向内核申请呢？
其实不是，进程可以通过 API 创建用户态的线程，也可以通过系统调用创建内核态的线程。

用户态线程

• 用户态线程也称作用户级线程（User Level Thread），完全是在用户空间中创建
  优点
• 管理开销小：创建、销毁不需要系统调用。
• 切换成本低：用户空间程序可以自己维护，不需要走操作系统调度。
  缺点
• 与内核协作成本高：比如这种线程完全是用户空间程序在管理，当它进行 I/O 的时候，无法利用到 内核的优势，需要频繁进行用户态到内核态的切换。
• 线程间协作成本高：设想两个线程需要通信，通信需要 I/O，I/O 需要系统调用，因此用户态线程 需要支付额外的系统调用成本。
• 无法利用多核优势：比如操作系统调度的仍然是这个线程所属的进程，所以无论每次一个进程有多 少用户态的线程，都只能并发执行一个线程，因此一个进程的多个线程无法利用多核的优势。
• 操作系统无法针对线程调度进行优化：当一个进程的一个用户态线程阻塞（Block）了，操作系统 无法及时发现和处理阻塞问题，它不会更换执行其他线程，从而造成资源浪费。

内核态进程

• 内核态线程也称作内核级线程（Kernel Level Thread）。这种线程执行在内核态，可以通过系统调用创 造一个内核级线程。
  优点
• 可以利用多核 CPU 优势：内核拥有较高权限，因此可以在多个 CPU 核心上执行内核线程。
• 操作系统级优化：内核中的线程操作 I/O 不需要进行系统调用；一个内核线程阻塞了，可以立即让 另一个执行。
  缺点
• 创建成本高：创建的时候需要系统调用，也就是切换到内核态。
• 扩展性差：由一个内核程序管理，不可能数量太多。
• 切换成本较高：切换的时候，也同样存在需要内核操作，需要切换内核态。

用户态线程和内核态线程之间的映射关系

• 线程简单理解，就是要执行一段程序。程序不会自发的执行，需要操作系统进行调度。

如果有一个用户态的进程，它下面有多个线程。如果这个进程想要执行下面的某一个线程，应 该如何做呢？
将需要执行的程序，让一个内核线程去执行，内核线程是真正的线程。因为它会分配到 CPU 的执行资源。用户态线程创建成本低，问题明显，不可以利用多核。内核态线程，创建成本高，可以利用 多核，切换速度慢。因此通常我们会在内核中预先创建一些线程，并反复利用这些线程。

多对一（Many to One）

• 用户态进程中的多线程复用一个内核态线程。这样，极大地减少了创建内核态线程的成本，但是线程不 可以并发。

一对一（One to One）

• 该模型为每个用户态的线程分配一个单独的内核态线程，在这种情况下，每个用户态都需要通过系统调 用创建一个绑定的内核线程，并附加在上面执行.
• 因为线程较多，对内核调度的压力会明显增加。

多对多（Many To Many）

• n 个用户态线程分配 m 个内核态线程。m 通常可以小于 n,一种可行的策略是将 m 设 置为核数,减少了内核线程，同时也保证了多核心并发。

两层设计（Two Level）

• 混合了多对多和一对一的特点

中断和中断向量

中断的设计

• 第一层是硬件设计、第二层是操作系统设计、第三层是程序语言的设计。
• 按键码的收集，是键盘芯片和主板的能力。主板知道有新的按键后，通知 CPU，CPU 要中断当前执行的 程序，将 PC 指针跳转到一个固定的位置，我们称为一次中断（interrupt）。
• 中断类： 中断识别码。
• 中断向量（Interupt Vector） ： PC指针跳转的地址,存储zai中断向量表中。
• PU 接收到中断后，CPU 根据中断类型操作 PC 指针，找到中断向量。操作系统必须在这之前，修 改中断向量，插入一条指令。比如操作系统在这里写一条Jump指令，将 PC 指针再次跳转到自己处理对 应中断类型的程序。
  
• 作系统接管之后，以按键程序为例，操作系统会进行一些处理，包括下面的几件事情：
• 1.将按键放入一个队列，保存下来。这是因为，操作系统不能保证及时处理所有的按键，比如当按键 过快时，需要先存储下来，再分时慢慢处理。
• 2.计算组合键。可以利用按下、释放之间的时间关系。
• 3. 经过一定计算将按键抽象成消息（事件结构或对象）。
• 4. 提供 API 给应用程序，让应用程序可以监听操作系统处理后的消息。
• 5. 分发按键消息给监听按键的程序。

中断的类型

1、 触发方分成同步中断和异步中断；
2、是否强制触发分成可屏蔽中断和不可屏蔽中断。

• 中断可以由 CPU 指令直接触发，这种主动触发的中断，叫作同步中断。
• 系统调用，需要从用户态切换内核态，这种情况需要程序触发一个中断，叫作陷阱 （Trap），中断触发后需要继续执行系统调用。
• 错误（Fault），通常是因为检测到某种错误，需要触发一个中断，中断响 应结束后，会重新执行触发错误的地方，比如后面我们要学习的缺页中断。
• 最后还有一种情况是程序的异常，这种情况和 Trap 类似，用于实现程序抛出的异常
• 另一部分中断不是由 CPU 直接触发，是因为需要响应外部的通知，比如响应键盘、鼠标等设备而触发的 中断。这种中断我们称为异步中断。
• CPU 通常都支持设置一个中断屏蔽位（一个寄存器），设置为 1 之后 CPU 暂时就不再响应中断。对于 键盘鼠标输入，比如陷阱、错误、异常等情况，会被临时屏蔽。但是对于一些特别重要的中断，比如 CPU 故障导致的掉电中断，还是会正常触发。可以被屏蔽的中断我们称为可屏蔽中断，多数中断都是可 屏蔽中断。

思考题

Linux 内核和 Windows 内核有什么 区别？

• Windows 有两个内核，最新的是 NT 内核，目前主流的 Windows 产品都是 NT 内核。NT 内 核和 Linux 内核非常相似，没有太大的结构化差异。
• 从整体设计上来看，Linux 是宏内核，NT 内核属于混合型内核。和微内核不同，宏内核和混合类型内核 从实现上来看是一个完整的程序。只不过混合类型内核内部也抽象出了微内核的概念，从内核内部看混 合型内核的架构更像微内核。
• 其他差异 ： Linux 内核是一个开源的内核；它们支持的可执行文件格式不同；它们用到的虚拟化技术不同

Unix 和 Macintosh 内核属于哪种类型？

• Unix ： 宏内核。
• Mac OS 用的是 XNU 内核， XNU 是一种混合型内核，XNU 是 X is not Unix 的意思， 是一个受 Unix 影响很大的内核。

用户态线程和内核态线程的区别？

Java/Js 等语言为什么可以捕获到键盘 输入？

【解析】 为了捕获到键盘输入，硬件层面需要把按键抽象成中断，中断 CPU 执行。CPU 根据中断类型 找到对应的中断向量。操作系统预置了中断向量，因此发生中断后操作系统接管了程序。操作系统实现 了基本解析按键的算法，将按键抽象成键盘事件，并且提供了队列存储多个按键，还提供了监听按键的 API。因此应用程序，比如 Java/Node.js 虚拟机，就可以通过调用操作系统的 API 使用键盘事件

操作系统可以处理键盘按键可以理解，那么我们开机的时候 也可以使用键盘，但是那时候操作系统还没有载入内存，这个怎么解释？

• 主板的一块 ROM 上往往还有一个简化版的操作系统，叫 BIOS（Basic Input/Ouput System）。在 OS 还没有接管计算机前，先由 BIOS 管理机器，并协助加载 OS 到内存。早期的 OS 还 会利用 BIOS 的能力，现代的 OS 接管后，就会替换掉 BIOS 的中断向量。