Linux 內核和 Windows 內核有什么區別？

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Windows 和 Linux 可以說是我們比較常見的兩款作業系統的，

Windows 基本占領了電腦時代的市場，商業上取得了很大成就，但是它并不開源，所以要想接觸原始碼得加入 Windows 的開發團隊中，

對于服務器使用的作業系統基本上都是 Linux，而且內核原始碼也是開源的，任何人都可以下載，并增加自己的改動或功能，Linux 最大的魅力在于，全世界有非常多的技術大佬為它貢獻代碼，

這兩個作業系統各有千秋，不分伯仲，

作業系統核心的東西就是內核，這次我們就來看看，Linux 內核和 Windows 內核有什么區別？

內核

什么是內核呢？

計算機是由各種外部硬體設備組成的，比如記憶體、cpu、硬碟等，如果每個應用都要和這些硬體設備對接通信協議，那這樣太累了，所以這個中間人就由內核來負責，讓內核作為應用連接硬體設備的橋梁，應用程式只需關心與內核互動，不用關心硬體的細節，

內核有哪些能力呢？

現代作業系統，內核一般會提供 4 個基本能力：

• 管理行程、執行緒，決定哪個行程、執行緒使用 CPU，也就是行程調度的能力；
• 管理記憶體，決定記憶體的分配和回收，也就是記憶體管理的能力；
• 管理硬體設備，為行程與硬體設備之間提供通信能力，也就是硬體通信能力；
• 提供系統呼叫，如果應用程式要運行更高權限運行的服務，那么就需要有系統呼叫，它是用戶程式與作業系統之間的介面，

內核是怎么作業的？

內核具有很高的權限，可以控制 cpu、記憶體、硬碟等硬體，而應用程式具有的權限很小，因此大多數作業系統，把記憶體分成了兩個區域：

• 內核空間，這個記憶體空間只有內核程式可以訪問；
• 用戶空間，這個記憶體空間專門給應用程式使用；

用戶空間的代碼只能訪問一個區域的記憶體空間，而內核空間的代碼可以訪問所有記憶體空間，因此，當程式使用用戶空間時，我們常說該程式在用戶態執行，而當程式使內核空間時，程式則在內核態執行，

應用程式如果需要進入內核空間，就需要通過系統呼叫，下面來看看系統呼叫的程序：

內核程式執行在內核態，用戶程式執行在用戶態，當應用程式使用系統呼叫時，會產生一個中斷，發生中斷后， CPU 會中斷當前在執行的用戶程式，轉而跳轉到中斷處理程式，也就是開始執行內核程式，內核處理完后，主動觸發中斷，把 CPU 執行權限交回給用戶程式，回到用戶態繼續作業，

Linux 的設計

Linux 的開山始祖是來自一位名叫 Linus Torvalds 的芬蘭小伙子，他在 1991 年用 C 語言寫出了第一版的 Linux 作業系統，那年他 22 歲，

完成第一版 Linux 后，Linux Torvalds 就在網路上發布了 Linux 內核的源代碼，每個人都可以免費下載和使用，

Linux 內核設計的理念主要有這幾個點：

• MutiTask，多任務
• SMP，對稱多處理
• ELF，可執行檔案鏈接格式
• Monolithic Kernel，宏內核

MutiTask

MutiTask 的意思是多任務，代表著 Linux 是一個多任務的作業系統，

多任務意味著可以有多個任務同時執行，這里的「同時」可以是并發或并行：

• 對于單核 CPU 時，可以讓每個任務執行一小段時間，時間到就切換另外一個任務，從宏觀角度看，一段時間內執行了多個任務，這被稱為并發，
• 對于多核 CPU 時，多個任務可以同時被不同核心的 CPU 同時執行，這被稱為并行，

SMP

SMP 的意思是對稱多處理，代表著每個 CPU 的地位是相等的，對資源的使用權限也是相同的，多個 CPU 共享同一個記憶體，每個 CPU 都可以訪問完整的記憶體和硬體資源，

這個特點決定了 Linux 作業系統不會有某個 CPU 單獨服務應用程式或內核程式，而是每個程式都可以被分配到任意一個 CPU 上被執行，

ELF

ELF 的意思是可執行檔案鏈接格式，它是 Linux 作業系統中可執行檔案的存盤格式，你可以從下圖看到它的結構：

ELF 把檔案分成了一個個分段，每一個段都有自己的作用，具體每個段的作用這里我就不詳細說明了，感興趣的同學可以去看《程式員的自我修養——鏈接、裝載和庫》這本書，

另外，ELF 檔案有兩種索引，Program header table 中記錄了「運行時」所需的段，而 Section header table 記錄了二進制檔案中各個「段的首地址」，

那 ELF 檔案怎么生成的呢？

我們撰寫的代碼，首先通過「編譯器」編譯成匯編代碼，接著通過「匯編器」變成目標代碼，也就是目標檔案，最后通過「聯結器」把多個目標檔案以及呼叫的各種函式庫鏈接起來，形成一個可執行檔案，也就是 ELF 檔案，

那 ELF 檔案是怎么被執行的呢？

執行 ELF 檔案的時候，會通過「裝載器」把 ELF 檔案裝載到記憶體里，CPU 讀取記憶體中的指令和資料，于是程式就被執行起來了，

Monolithic Kernel

Monolithic Kernel 的意思是宏內核，Linux 內核架構就是宏內核，意味著 Linux 的內核是一個完整的可執行程式，且擁有最高的權限，

宏內核的特征是系統內核的所有模塊，比如行程調度、記憶體管理、檔案系統、設備驅動等，都運行在內核態，

不過，Linux 也實作了動態加載內核模塊的功能，例如大部分設備驅動是以可加載模塊的形式存在的，與內核其他模塊解藕，讓驅動開發和驅動加載更為方便、靈活，

與宏內核相反的是微內核，微內核架構的內核只保留最基本的能力，比如行程調度、虛擬機記憶體、中斷等，把一些應用放到了用戶空間，比如驅動程式、檔案系統等，這樣服務與服務之間是隔離的，單個服務出現故障或者完全攻擊，也不會導致整個作業系統掛掉，提高了作業系統的穩定性和可靠性，

微內核內核功能少，可移植性高，相比宏內核有一點不好的地方在于，由于驅動程式不在內核中，而且驅動程式一般會頻繁呼叫底層能力的，于是驅動和硬體設備互動就需要頻繁切換到內核態，這樣會帶來性能損耗，華為的鴻蒙作業系統的內核架構就是微內核，

還有一種內核叫混合型別內核，它的架構有點像微內核，內核里面會有一個最小版本的內核，然后其他模塊會在這個基礎上搭建，然后實作的時候會跟宏內核類似，也就是把整個內核做成一個完整的程式，大部分服務都在內核中，這就像是宏內核的方式包裹著一個微內核，

Windows 設計

當今 Windows 7、Windows 10 使用的內核叫 Windows NT，NT 全稱叫 New Technology，

下圖是 Windows NT 的結構圖片：

Windows 和 Linux 一樣，同樣支持 MutiTask 和 SMP，但不同的是，Window 的內核設計是混合型內核，在上圖你可以看到內核中有一個 MicroKernel 模塊，這個就是最小版本的內核，而整個內核實作是一個完整的程式，含有非常多模塊，

Windows 的可執行檔案的格式與 Linux 也不同，所以這兩個系統的可執行檔案是不可以在對方上運行的，

Windows 的可執行檔案格式叫 PE，稱為可移植執行檔案，擴展名通常是.exe、.dll、.sys等，

PE 的結構你可以從下圖中看到，它與 ELF 結構有一點相似，

總結

對于內核的架構一般有這三種型別：

• 宏內核，包含多個模塊，整個內核像一個完整的程式；
• 微內核，有一個最小版本的內核，一些模塊和服務則由用戶態管理；
• 混合內核，是宏內核和微內核的結合體，內核中抽象出了微內核的概念，也就是內核中會有一個小型的內核，其他模塊就在這個基礎上搭建，整個內核是個完整的程式；

Linux 的內核設計是采用了宏內核，Window 的內核設計則是采用了混合內核，

這兩個作業系統的可執行檔案格式也不一樣， Linux 可執行檔案格式叫作 ELF，Windows 可執行檔案格式叫作 PE，

巨人的肩膀

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Monolithic_kernel
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Executable_and_Linkable_Format
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Windows_NT