重学操作系统（十）
前言
之前看了很多Linux相关的内容，最后有分析日志和自动化运维的一些知识，有些太深入了，所以只是看了下，跟着做了下练习，没有写成文章。
今天继续，来说一下Windows和Linux的区别。
Windows，Linux，MacOS应该是现今世界上最受欢迎的三大操作系统了。今天不谈MacOS，单说Windows和Linux。
Windows，商业系统，微软家的，大量优秀的开发者加入微软，进行Windows系统相关的开发。
Linux，开源系统，因此通过开源社区，吸引大量顶级开发者贡献源码。
两个操作系统，其实在我看来各有各的市场，存在竞争，但是很多方面却是互补的。
从消费者的角度来说，如果是业内人士，Windows，Linux（包括MacOS）肯定大都接触过，就开发而言，除非做微软家的开发，否则用Linux（包括MacOS）做开发，无论是安装一些软件包，命令行，编辑器的运行流畅度等，Linux肯定是秒杀Windows。但是对于普通用户，就一句话来形容：什么是Linux？
对于我个人，简单一句，Windows玩儿游戏，MacOS开发（我开发不用Linux）。
贯穿全文的一道题：Linux 内核和 Windows 内核有什么区别？
什么是内核
内核是操作系统中应用连接硬件设备的桥梁。
内核一般具有下列基本功能：
- 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）
通常操作系统可以分成三层，最底层是硬件设备的抽象（CPU，IO设备，存储设备等），中间是内核（Kernel），最上层是应用层（Application）
图片来源于: @Quora
操作系统分层
内核的工作原理
内核的权限非常高，它可以管理进程，直接访问所有内存，因此内核和进程之间需要有一定的隔离。这个隔离是类似服务端和客户端请求响应的模型。但不同的是，服务端和客户端一般在不同机器运行，因此不需要共享资源。但是进程调用内核期间，存在资源共享。
多数操作系统遵循的设计原则是：进程向内核发起一个请求，然后将CPU执行权限让出给内核。内核接手CPU执行权限，然后完成请求，再把CPU执行权限给进程。
Linux的设计
Multitsdk and SMP (Symmetric multiprocessing)
Multitask 顾名思义，就是Linux是一个多任务的操作系统。多任务指多个任务能同时执行。Linux支持并发执行。
SMP指的是对称多处理，就是Linux每个处理器地位相同，内存对多个处理器来说是共享的。每个处理器能访问完整的内存和硬件资源。因为这个特性，用户程序或者内核程序执行时，会可能被分配到任何处理器上执行。
ELF（Executable and Linkable Format）
这个词的意思就是可执行文件链接格式。是从Unix继承而来的可执行文件存储格式。ELF中，文件被分成一个个段（Segment），每个段都有自己的作用。
图片来源于: https://linuxhint.com/understanding_elf_file_format/
文件的结构
Monolithic Kernel
这个名词的意思是宏内核，与其相反的，还有一个Microkernel，就是微内核。宏内核，预示着，Linux内核是一个完整的可执行程序，且内核用最高权限来运行。宏内核的特点是很多程序会打包在内核中，如文件系统，驱动，内存管理等。Linux支持动态加载内核模块，这样每次安装驱动，不需要再重新编译内核了。
微内核与宏内核对应，微内核只保存了基本能力，比如进程调度，虚拟内存，中断。大部分应用，包括文件系统，驱动程序，内存管理，是在用户空间管理的。
图片来源于: @拉钩教育
不同类型的内核的结构
宏内核的好处是：
需要频繁调用底层操作的应用，比如驱动程序，使用宏内核结构性能更好。
微内核的好处是：
内核体积小，可移植性强。
还有就是混合类型内核，其架构像微内核，内核中会有一个最小版本内核，其它功能会在这个能力上搭建。但是混合类型内核，内核也是一个完整的程序，大部分功能包含在内核中。
Windows设计
Windows有两个版本的内核，一个叫Windows 9x，应用在Win95， Win98系统中。另一个是Windows NT，应用在现在的Win7和Win10。NT指的是New Technology。
图片来源于: @Quora
Windows内核的结构
Windows 支持Mutitask和SMP（对称多处理）。Windows内核属于混合内核。其内核中有一个Microkernel，但是整个内核又类似宏内核，包含完整功能。
Windows也有自己的可执行文件格式，叫作Portable Executable（PE），也就是可移植的执行文件，扩展名一般是.exe，.dll，.sys等。
PE和ELF结构有很多类似的地方。大致如下：
图片来源于: @ResearchGate
PE的结构
Windows有很多独特的功能，比如Hyper-V虚拟化技术。
总结
其实在看这一章节之前，对操作系统的内核并没这么了解。也许也是平时工作用不到，所以也不是很重视这个方面。看了这一章节之后，不但相关只是点获得补充，也发现，其实对于变成语言来说，它们可能不同。但是其实，它们又相同。在操作系统，数据结构，底层原理，编译原理等方面，它们都大相径庭，因此学好操作系统，深入学习是有必要的。
Q: Unix 和 Mac OS 内核属于哪种类型？
A: Unix 和 Linux 非常类似，也是宏内核。Mac OS 用的是 XNU 内核， XNU 是一种混合型内核。XNU 是 X is not Unix 的意思， 是一个受 Unix 影响很大的内核。
参考
[1] https://kaiwu.lagou.com/course/courseInfo.htm?courseId=478#/detail/pc?id=4620
[2] https://linuxhint.com/understanding_elf_file_format/
[4] https://www.researchgate.net/figure/Portable-executable-file-format_fig6_338355873
