Windows 和 Linux 可以說是我們比較常見的兩款作業系統的。

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

對於伺服器使用的作業系統基本上都是 Linux，而且核心原始碼也是開源的，任何人都可以下載，並增加自己的改動或功能，Linux 最大的魅力在於，全世界有非常多的技術大佬為它貢獻程式碼。

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核心，這次我們就來看看，Linux 核心和 Windows 核心有什麼區別？

核心

什麼是核心呢？

計算機是由各種外部硬體裝置組成的，比如記憶體、cpu、硬碟等，如果每個應用都要和這些硬體裝置對接通訊協議，那這樣太累了，所以這個中間人就由核心來負責，讓核心作為應用連線硬體裝置的橋樑，應用程式只需關心與核心互動，不用關心硬體的細節。

核心有哪些能力呢？

現代作業系統，核心一般會提供 4 個基本能力：

• 管理程序、執行緒，決定哪個程序、執行緒使用 CPU，也就是程序排程的能力；
• 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；
• 管理硬體裝置，為程序與硬體裝置之間提供通訊能力，也就是硬體通訊能力；
• 提供系統呼叫，如果應用程式要執行更高許可權執行的服務，那麼就需要有系統呼叫，它是使用者程式與作業系統之間的介面。

核心是怎麼工作的？

核心具有很高的許可權，可以控制 cpu、記憶體、硬碟等硬體，而應用程式具有的許可權很小，因此大多數作業系統，把記憶體分成了兩個區域：

• 核心空間，這個記憶體空間只有核心程式可以訪問；
• 使用者空間，這個記憶體空間專門給應用程式使用；

使用者空間的程式碼只能訪問一個區域性的記憶體空間，而核心空間的程式碼可以訪問所有記憶體空間。因此，當程式使用使用者空間時，我們常說該程式在使用者態執行，而當程式使核心空間時，程式則在核心態執行。

應用程式如果需要進入核心空間，就需要通過系統呼叫，下面來看看系統呼叫的過程：

核心程式執行在核心態，使用者程式執行在使用者態。當應用程式使用系統呼叫時，會產生一箇中斷。發生中斷後， CPU 會中斷當前在執行的使用者程式，轉而跳轉到中斷處理程式，也就是開始執行核心程式。核心處理完後，主動觸發中斷，把 CPU 執行許可權交回給使用者程式，回到使用者態繼續工作。

Linux 的設計

Linux 的開山始祖是來自一位名叫 Linus Torvalds 的芬蘭小夥子，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 後，Linux Torvalds 就在網路上釋出了 Linux 核心的原始碼，每個人都可以免費下載和使用。

Linux 核心設計的理念主要有這幾個點：

• MutiTask，多工
• SMP，對稱多處理
• ELF，可執行檔案連結格式
• Monolithic Kernel，巨集核心

MutiTask

MutiTask 的意思是多工，代表著 Linux 是一個多工的作業系統。

多工意味著可以有多個任務同時執行，這裡的「同時」可以是併發或並行：

• 對於單核 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，從巨集觀角度看，一段時間內執行了多個任務，這被稱為併發。
• 對於多核 CPU 時，多個任務可以同時被不同核心的 CPU 同時執行，這被稱為並行。

SMP

SMP 的意思是對稱多處理，代表著每個 CPU 的地位是相等的，對資源的使用許可權也是相同的，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核心程式，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連結格式，它是 Linux 作業系統中可執行檔案的儲存格式，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裡我就不詳細說明了，感興趣的同學可以去看《程式設計師的自我修養——連結、裝載和庫》這本書。

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

那 ELF 檔案怎麼生成的呢？

我們編寫的程式碼，首先通過「編譯器」編譯成彙編程式碼，接著通過「彙編器」變成目的碼，也就是目標檔案，最後通過「連結器」把多個目標檔案以及呼叫的各種函式庫連結起來，形成一個可執行檔案，也就是 ELF 檔案。

那 ELF 檔案是怎麼被執行的呢？

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

Monolithic Kernel

Monolithic Kernel 的意思是巨集核心，Linux 核心架構就是巨集核心，意味著 Linux 的核心是一個完整的可執行程式，且擁有最高的許可權。

巨集核心的特徵是系統核心的所有模組，比如程序排程、記憶體管理、檔案系統、裝置驅動等，都執行在核心態。

不過，Linux 也實現了動態載入核心模組的功能，例如大部分裝置驅動是以可載入模組的形式存在的，與核心其他模組解藕，讓驅動開發和驅動載入更為方便、靈活。

與巨集核心相反的是微核心，微核心架構的核心只保留最基本的能力，比如程序排程、虛擬機器記憶體、中斷等，把一些應用放到了使用者空間，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。

微核心核心功能少，可移植性高，相比巨集核心有一點不好的地方在於，由於驅動程式不在核心中，而且驅動程式一般會頻繁呼叫底層能力的，於是驅動和硬體裝置互動就需要頻繁切換到核心態，這樣會帶來效能損耗。華為的鴻蒙作業系統的核心架構就是微核心。

還有一種核心叫混合型別核心，它的架構有點像微核心，核心裡面會有一個最小版本的核心，然後其他模組會在這個基礎上搭建，然後實現的時候會跟巨集核心類似，也就是把整個核心做成一個完整的程式，大部分服務都在核心中，這就像是巨集核心的方式包裹著一個微核心。

Windows 設計

當今 Windows 7、Windows 10 使用的核心叫 Windows NT，NT 全稱叫 New Technology。

下圖是 Windows NT 的結構圖片：

Windows 和 Linux 一樣，同樣支援 MutiTask 和 SMP，但不同的是，Window 的核心設計是混合型核心，在上圖你可以看到核心中有一個 MicroKernel 模組，這個就是最小版本的核心，而整個核心實現是一個完整的程式，含有非常多模組。

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執行的。

Windows 的可執行檔案格式叫 PE，稱為可移植執行檔案，副檔名通常是.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

對於核心的架構一般有這三種類型：

• 巨集核心，包含多個模組，整個核心像一個完整的程式；
• 微核心，有一個最小版本的核心，一些模組和服務則由使用者態管理；
• 混合核心，是巨集核心和微核心的結合體，核心中抽象出了微核心的概念，也就是核心中會有一個小型的核心，其他模組就在這個基礎上搭建，整個核心是個完整的程式；

Linux 的核心設計是採用了巨集核心，Window 的核心設計則是採用了混合核心。

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