微内核与宏内核比较

内核体系结构---微内核与宏内核比较

内核按照体系结构分为两类:微内核(microkernel)与宏内核(macrokernel). 微内核的系统有

WindowNT,Minix,Mach,etc.宏内核的系统有Unix,Linux,etc.通过比较Minix和Linux来比较微内核和宏内

核是很有意思的,因为当年两个系统的创始人对两种内核的优劣有过争论.

两个系统的内核是通过进程的创建FORK的实现来比较,因为进程的创建涉及到系统调用,内存管理,文件管

理等系统的主要方面.因此通过比较FORK的实现可以大致看到内核的差别.

微内核的代表:Minix

在Minix中，操作系统的内核，内存管理，系统管理都有自己的进程表，每个部分的表包含了自

己需要的域。表象是精确对应的，为了保持同步，在进程创建或结束时，这三个部分都要更新各自的表。

由内存管理器协调。

系统启动后,kernel,mm,fs系统进程在各自的空间运行main()函数循环等待消息

While(TRUE)

{…

receive(ANY,&mm_in);

…}

当一个FORK传给mm’main(),main()调用do_fork(),do_fork()函数把父进程的data segment和stack

segment创造了一个精确副本给子进程,并把父进程的text segment 与子进程共享,然后在mm的进程表

mproc[]中添加新进程，并设置各属性。添加完后发送消息给kernel(sys_fork(…))和 fs(tell_fs

(…)).,kernel中的函数sys_task()接收到系统信息，调用do_fork(message   * m_ptr),copy parent’

proc struct to child.并设置进程在内核进程表中的属性。tell_fs()是内存管理器与文件系统之间的接

口，tell_fs(…)调用 _taskcall(…)，文件管理器接收到FORK系统消息，调用do_fork()函数，copy

parent’fproc struct to child.并设置进程在文件进程表中的属性。这样整个进程的属性就设置完成.

在Minix创建新进程的过程中,可以看到一个很大特点,就是整个系统按功能分成几个部分,各模块

之间利用消息机制通信,调用其他模块的函数必须通过目标模块的守护进程调用.

宏内核的代表:Linux

在Linux中,进程的结构如下:

Struct task_struct{

pid_t pid;

pid_t pgrp;

…

/* filesystem information */

struct fs_struct *fs;

/* memory management info*/

struct mm_struct *mm;

…

};

在Linux进程的结构定义中,task_struct包含了所有的信息，包括进程的内存情况，文件系统情况。在创

建新进程时，系统调用sys_fork调用do_fork(…)函数.

int do_fork(unsigned long clong_flags,… )

{

struct task_struct *p;

p->pid = get_pid(clone_flags);

…

/* copy all the process information*/

copy_files(clone_flags,p);

copy_fs(clone_flags,p);

copy_mm(nr,clone_flags,p);

…

}

在创建进程时，do_fork函数把所有的工作完成，分配pid…号，拷贝父进程数据段，堆栈段，等等。

Linux的进程创建过程是一个完整的过程，直接调用其他模块的函数，而不是消息传递。

Minix与Linux创建新进程的过程比较可以看出二者之间的区别，Minix是建立在分模块之上的，

模块之间以信息传递联系。Linux内部也是分模块的，但在运行的时候，他是一个独立的二进制大映像，

其模块间的通讯是通过直接调用其他模块中的函数实现的。宏内核与微内核的区别也就在这吧，微内核是

一个信息中转站，自身完成很少功能，主要是传递一个模块对另一个模块的功能请求，而宏内核则是一个

大主管，把内存管理，文件管理等等一股脑全部接管。

从理论上来看，微内核的思想更好些，微内核把系统分为各个小的功能块，降低了设计难度，系

统的维护与修改也容易，但通信带来的效率损失是个问题。宏内核的功能块之间的耦合度太高造成修改与

维护的代价太高，不过在目前的Linux里面还不算大问题，因为Linux目前还不算太复杂，宏内核因为是直

接调用，所以效率是比较高的。

参考书目：

1)Andrew S.tanenbaum 电子工业出版社1998 Operating Systems:Design and Implementation

2) Scott Maxwell 机械工业出版社 2000 Linux Core Kernel Commentary

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