核心
內核（英語：Kernel，又稱內核）在計算機科學中是一個用來管理軟體發出的資料I/O（輸入與輸出）要求的電腦程式，將這些要求轉譯為資料處理的指令並交由中央處理器（CPU）及電腦中其他電子元件進行處理，是現代操作系統中最基本的部分。它是為眾多應用程序提供對計算機硬件的安全訪問的一部分軟件，這種訪問是有限的，並由內核決定一個程序在什麼時候對某部分硬件操作多長時間。直接對硬件操作是非常複雜的。所以內核通常提供一種硬件抽象的方法，來完成這些操作。有了這個，通過進程間通信機制及系統調用，應用進程可間接控制所需的硬件資源（特別是處理器及IO設備）。
嚴格地說，內核並不是計算機系統中必要的組成部分。有些程序可以直接地被調入計算機中執行；這樣的設計，說明了設計者不希望提供任何硬件抽象和操作系統的支持；它常見於早期計算機系統的設計中。但隨著電腦技術的發展，最終，一些輔助性程序，例如程序加載器和調試器，被設計到機器核心當中，或者寫入在只讀記憶體裡。這些變化發生時，操作系統內核的概念就漸漸明晰起來了。
分類
[編輯]內核在設計上可以概分為宏內核與微內核兩大架構。在宏內核與微內核之間，進行妥協的設計，這稱為混合內核，但是混合內核能否被列為第三大架構，目前仍然有爭議。另外與微內核相似，有一種極端的設計方式，稱為外內核，仍還在研究階段，沒有任何一個流行的操作系統採用了這種設計。
宏內核
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宏內核結構在硬件之上，定義了一個高階的抽象接口，應用一組原語（或者叫系統調用（System call））來實現操作系統的功能，例如進程管理，文件系統，和存儲管理等等，這些功能由多個運行在核心態的模塊來完成。
儘管每一個模塊都是單獨地服務這些操作，內核代碼是高度集成的，而且難以編寫正確。因為所有的模塊都在同一個內核空間上運行，一個很小的bug都會使整個系統崩潰。然而，如果開發順利，宏內核結構就可以從運行效率上得到好處。
很多現代的宏內核結構內核，如Linux和FreeBSD內核，能夠在運行時將模塊調入執行，這就可以使擴充內核的功能變得更簡單，也可以使內核的核心部分變得更簡潔。
宏內核結構的例子：
微內核
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微內核結構由一個非常簡單的硬件抽象層和一組比較關鍵的原語或系統調用組成；這些原語，僅僅包括了建立一個系統必需的幾個部分；如線程管理，地址空間和行程間通訊等。
微核的目標是將系統服務的實現和系統的基本操作規則分離開來。例如，進程的輸入/輸出鎖定服務可以由運行在微核之外的一個服務組件來提供。這些非常模塊化的用戶態服務器用於完成操作系統中比較高級的操作，這樣的設計使內核中最核心的部分的設計更簡單。一個服務組件的失效並不會導致整個系統的崩潰，內核需要做的，僅僅是重新啟動這個組件，而不必影響其它的部分。
微內核將許多OS服務放入分離的進程，如文件系統，設備驅動程序，而進程通過消息傳遞調用OS服務。微內核結構必然是多線程的，第一代微內核，在核心提供了較多的服務，因此被稱為'胖微內核'，它的典型代表是Mach，它是Mac OS X的核心。第二代微內核只提供最基本的OS服務，典型的OS是QNX，QNX在黑莓手機BlackBerry 10系統中被採用。
微內核結構的例子：
宏內核與微內核的比較
[編輯]宏內核結構是非常有吸引力的一種設計，由於在同一個地址空間上實現所有複雜的低階操作系統控制代碼的效率會比在不同地址空間上實現更高些。
20世紀90年代初，宏內核結構被認為是過時的。把Linux設計成為宏內核結構而不是微內核，引起了無數的爭議（參見塔能鮑姆-林納斯辯論）。[1]
現在，單核結構正傾向於設計不容易出錯，所以它的發展會比微內核結構更迅速些。[2]兩個陣營中都有成功的案例。微核經常被用於機器人和醫療器械的嵌入式設計中，因為它的系統的關鍵部分都處在相互分開的，被保護的存儲空間中。這對於單核設計來說是不可能的，就算它採用了運行時加載模塊的方式。
儘管Mach是眾所周知的多用途的微內核，人們還是開發了除此之外的幾個微內核。L3是一個演示性的內核，只是為了證明微內核設計並不總是低運行速度。它的後續版本L4，甚至可以將Linux內核作為它的一個進程，運行在單獨的地址空間。
QNX是一個從20世紀80年代，就開始設計的微內核系統。它比Mach更接近微內核的理念。它可以被用於一些特殊的領域；在這些情況下，由於軟件錯誤，導致系統失效是不允許的。例如航天飛機上的機械手，還有研磨望遠鏡鏡片的機器，一點點失誤就會導致上千美元的損失。
很多人相信，由於Mach不能夠解決一些提出微內核理論時針對的問題，所以微內核技術毫無用處。Mach的愛好者表明這是非常狹隘的觀點，但遺憾的是似乎所有人都開始接受這種觀點。
混合內核
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混合內核的設計理念來自微內核，只不過它讓一些微核結構運行在用戶空間的代碼運行在內核空間，這樣讓內核的運行效率更高些。這是一種妥協做法，微軟視窗就是一個典型的例子。另外還有XNU，運行在蘋果Mac OS X上的內核，也是一個混合內核。[3]林納斯·托瓦茲認為混合核心這種分類只是一種市場行銷手法，因為它的架構實作與運作方式接近於宏內核。
混合內核的例子：
- 自Windows NT之後所有基於NT技術的微軟視窗操作系統
- Mac OS X（使用Mach內核來實作）
- BeOS內核
- DragonFly BSD
- ReactOS內核
- XNU（使用Mach內核）
外內核
[編輯]外內核系統，也被稱為縱向結構操作系統，是一種比較極端的設計方法。
它的設計理念是讓用戶程序的設計者來決定硬件接口的設計。外內核本身非常的小，它通常只負責系統保護和系統資源復用相關的服務。
傳統的內核設計（包括單核和微核）都對硬件作了抽象，把硬件資源或設備驅動程序都隱藏在硬件抽象層下。比方說，在這些系統中，如果分配一段物理存儲，應用程序並不知道它的實際位置。
而外核的目標就是讓應用程序直接請求一塊特定的物理空間，一塊特定的磁盤塊等等。系統本身只保證被請求的資源當前是空閒的，應用程序就允許直接存取它。既然外核系統只提供了比較低級的硬件操作，而沒有像其他系統一樣提供高級的硬件抽象，那麼就需要增加額外的運行庫支持。這些運行庫運行在外核之上，給用戶程序提供了完整的功能。
理論上，這種設計可以讓各種操作系統運行在一個外核之上，如Windows和Unix。並且設計人員可以根據運行效率調整系統的各部分功能。
現在，外核設計還停留在研究階段，沒有任何一個商業系統採用了這種設計。幾種概念上的操作系統正在被開發，如劍橋大學的Nemesis，格拉斯哥大學的Citrix系統和瑞士計算機科學院的一套系統。麻省理工學院也在進行着這類研究。
參考文獻
[編輯]- ^ Recordings of the debate between Torvalds and Tanenbaum can be found at dina.dk 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2012-10-03., groups.google.com 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2013-05-26., oreilly.com 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2014-09-21. and Andrew Tanenbaum's website 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2015-08-05.
- ^ Matthew Russell. What Is Darwin (and How It Powers Mac OS X). O'Reilly Media. [2008-12-09]. （原始內容存檔於2007-12-08）.
The tightly coupled nature of a monolithic kernel allows it to make very efficient use of the underlying hardware [...] Microkernels, on the other hand, run a lot more of the core processes in userland. [...] Unfortunately, these benefits come at the cost of the microkernel having to pass a lot of information in and out of the kernel space through a process known as a context switch. Context switches introduce considerable overhead and therefore result in a performance penalty.
- ^ Magee, Jim. WWDC 2000 Session 106 – Mac OS X: Kernel. 14 記錄於. （原始內容存檔於2021-10-30）.