用户与内核的比较

• 执行模式
  • 内核模式
  • 用户模式
• 内存保护
  • 内核空间
  • 用户空间

典型操作系统架构

单体内核

单体内核 可以 是模块化的

• 组件可以在编译时启用或禁用
• 支持可加载内核模块（在运行时）
• 将内核组织成逻辑上独立的子系统
• 接口严格，但其性能开销低：宏、内联函数以及函数指针

“混合”内核

许多操作系统和内核专家认为这种标签没有实际意义，仅仅是市场营销的策略。Linus Torvalds 对此评论道：

“至于所谓的‘混合内核’，那完全是营销的产物。‘噢，微内核获得了很多好评，我们怎样才能为我们的内核也赢得一些好评呢？我有个主意，就让我们给它起一个很酷的名字，暗示它拥有所有其他系统的优势。’”

地址空间

• 物理地址空间

• RAM 和外设内存

• 虚拟地址空间
  • CPU 在受保护/分页模式下感知的内存
  • 进程地址空间
  • 内核地址空间

用户和内核共享虚拟地址空间

执行上下文

• 进程上下文
  • 在用户模式下运行的代码，属于进程的一部分
  • 作为进程发出的系统调用的结果，在内核模式下运行的代码
• 中断上下文：
  • 作为中断的结果而运行的代码
  • 总是在内核模式下运行

多任务处理

• 支持“同时”执行多个进程的操作系统
• 通过快速切换运行进程来实现，以允许用户与每个程序进行交互
• 实现方式：
  • 合作式
  • 抢占式

抢占式内核

抢占式多任务处理与抢占式内核是两个不同的概念。

如果一个进程在内核模式下运行时可以被其他进程抢占，那么这个内核就是抢占式的。

然而，请注意，即使是非抢占式内核，也可能支持抢占式多任务处理。

可分页的内核内存

如果内核内存的某些部分（如代码、数据、堆栈或动态分配的内存）能够被交换到磁盘上，那么该内核就支持可分页的内核内存。

内核堆栈

每个进程都配备了一个内核堆栈，该堆栈用于维护函数调用链和局部变量的状态。当进程因系统调用而运行在内核模式下时，会使用到这个内核堆栈。

由于内核堆栈的容量相对较小（通常在 4 KB 到 12 KB 之间），内核开发人员必须避免在堆栈上分配大型数据结构或进行深度未受限的递归调用。

可移植性

• 架构和机器特定代码（C 和 汇编）
• 独立于架构的代码（C）：
  • 内核核心（进一步分为多个子系统）
  • 设备驱动程序

维护者层次结构

• Linus Torvalds 是 Linux 内核的维护者，他从子系统维护者那里合并拉取请求（pull request）
• 每个子系统都有一个或多个维护者，他们接受开发者或设备驱动程序维护者的补丁或拉取请求
• 每个维护者都有自己的 git 树，例如：
  • Linux Torvalds: git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6.git
  • David Miller（网络）：git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/davem/net.git/
• 每个子系统可能维护一个 -next 树，开发者可以在其中提交下一个合并窗口的补丁（patch）

设备驱动程序

• 统一的设备模型
• 每个子系统都有自己特定的驱动程序接口
• 许多设备驱动程序类型（TTY、串行设备、SCSI、文件系统、以太网、USB 设备、帧缓冲区、输入设备以及声音设备等）

进程管理

• Unix 基本进程管理和 POSIX 线程支持
• 进程和线程被抽象为任务
• 操作系统级虚拟化
  • 命名空间（namespace）
  • 控制组

内存管理

• 物理内存的管理：分配和释放内存
• 虚拟内存的管理：分页，交换，需求分页（demand paging），写时复制（copy on write）
• 用户服务：用户地址空间管理（例如 mmap()，brk()，共享内存）
• 内核服务：SL*B 分配器，vmalloc

虚拟文件系统

网络堆栈