内核是操作系统中应用连接硬件设备的桥梁

内核能力

  • 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

  • 硬件底层

  • 内核中间层
  • 应用上层

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内核架构设计

  • 宏内核（文件系统、驱动、内存管理全部打包进去，但物理隔离弱）
  • 微内核（只保留最基本的能力，体积小、可移植性强，如进程调度、虚拟内存、中断，但需要频繁切换）

  • 混合型内核（宏内核与微内核的结合，如Window的NT内核，但设计较复杂）

    内核态 & 用户态

  • 用户**态**线程

    • 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。但是这种线程也有很多的缺点
    • 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**线程
    • 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
    • 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**
    • 多对一（用户态进程中的多线程复用一个内核态线程，不可并发）
    • 一对一（充分利用多核，如Windows NT内核，多线程并发造成内核调度压力增大）
    • 多对多（保证多线程的同时，降低内核态线程数，减轻内核调度负担，如Linux内核）
    • 双层设计（一对一和多对多的结合，经典模式）

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中断 & 中断向量

如何设计响应键盘的整个链路？

  1. 按键映射模型（包含组合键）
  2. 处理按键程序（触发才执行）
  3. CPU响应（中断前保存当前指针位置在栈中，然后将PC指针跳转到按键处理指令的内存地址，即中断向量）

    中断类型

  • 按触发方分：同步、异步
  • 按是否强制：可屏蔽、不可屏蔽