操作系统内核

内核是操作系统中最基本、最核心的部分。实现内核功能的程序称为内核程序，运行在内核态。

内核态与用户态

CPU 至少提供两种执行状态：

状态 权限 运行内容
内核态 可执行所有指令，访问所有内存和硬件 内核程序
用户态 只能执行非特权指令，访问受限地址空间 普通应用程序

区分两种状态是为了保护。如果任意程序都能直接操作硬件或修改内核数据结构，一个用户程序的 bug 就可能破坏整个系统。CPU 在硬件层面强制执行这一隔离——用户态程序执行特权指令会触发异常，CPU 把控制权交还给内核处理。

内核的典型功能

功能 说明
时钟管理 利用时钟中断实现计时、进程调度
中断处理 响应外部中断和异常，转入对应处理程序
原语 完成不可被中断打断的关键操作
进程管理 进程创建、撤销、调度、切换
存储器管理 内存分配、地址转换、虚拟存储
设备管理 I/O 控制、设备分配、驱动协作

判断一个功能是否应放入内核的标准：是否必须直接访问硬件？是否执行特权指令？是否维护影响系统全局的关键数据结构？图形界面、部分系统工具、某些服务程序不满足这些条件，放在用户态更安全。

大内核与微内核

内核设计的根本分歧在于：多少功能应该放在内核态？

结构 做法 优点 代价
大内核 进程管理、存储管理、设备管理等主要功能都放在内核态 模块之间直接调用，状态切换少，性能较高 内核庞大，任何模块的 bug 都可能影响整个系统
微内核 内核只保留中断处理、原语、进程通信、调度等最基本功能；文件系统、网络栈等作为用户态进程运行 内核小，可靠性高；单个服务崩溃不拖垮内核 服务之间需要频繁的用户态/内核态切换，开销更大

大内核也称宏内核、单内核，典型例子是 Linux、UNIX。微内核的代表是 Minix、QNX。

状态切换有成本

用户态切到内核态需要保存现场、切换栈、修改 CPU 状态位，返回用户态时需要恢复。微内核结构中服务间通信更频繁，切换次数更多，性能开销更明显——这也是实际商用的微内核系统较少的原因：设计上的简洁往往需要为性能做出妥协。

## 常见 OS 结构

除了大内核与微内核的核心选择，操作系统在代码组织上还有多种形式。这些结构可以和上述内核架构组合使用。

结构 思路 特点
分层结构 每层只能调用更低层 层次清晰，便于调试；但严格分层不易，跨层调用效率低
模块化结构 按功能划分模块，模块之间通过明确接口通信 灵活，便于维护和扩展
外核 内核只做资源保护和多路复用，资源管理策略交给应用 应用可针对自身需求做最优资源管理；实现复杂
区分两个"结构"

“大内核 vs 微内核”回答的是代码跑在内核态还是用户态。
“分层/模块化/外核”回答的是代码怎么组织、模块之间怎么调用。
两者正交。Linux 是大内核 + 模块化；QNX 是微内核 + 模块化。

## 原语

原语是一段具有原子性的内核程序：一旦开始执行就必须一气呵成，中途不能被中断或调度打断。

原语的原子性依赖内核态的执行权限来保证——原语运行时通常关中断，或使用自旋锁等同步机制阻止并发访问。

原语常用于修改系统全局的关键数据结构：

  • 进程控制块的创建、状态切换和撤销
  • 就绪队列和等待队列的插入与删除
  • 设备分配表的修改
  • 信号量的 P/V 操作

这些操作若被中途打断——例如刚修改了一半 PCB 状态就发生进程切换——系统状态可能出现不一致，后续难以恢复。