2019年8月9日華為 餘承東 發佈HarmonyOS 1.0，HarmonyOS的發佈將一個計算機領域內非常專業的詞帶到瞭廣大公眾的視線內，這就是微內核。

事實上，微內核並不是一個新概念。早在1969年，UNIX系統開始設計的時候，類似微內核架構的操作系統就已經出現。1969年，丹麥計算機科學傢Per Brinch Hansen開發的RC 4000 Multiprogramming System操作系統，是歷史上第一次將操作系統組件分離為各個相互交互的組件，將內核簡化為僅用於通信和支持系統，並使用管道共享內存作為其進程間通信的基礎。如今回看RC 4000 Multiprogramming System雖然其本身並不是很成功，但激發瞭微內核概念。

繼續HarmonyOS的話題，看瞭HarmonyOS 1.0發佈會回放後，我有一個疑問：什麼是宏內核，什麼又是微內核，微內核相比於宏內核真的有如此大的優勢嗎？

華為HarmonyOS 1.0發佈會直播回放：http://www.bilibili.com/video/av62950256/

一、操作系統

瞭解微內核與宏內核之前，首先瞭解一下操作系統？

操作系統（Operating System）是現代計算平臺的基礎與核心支撐系統，負責管理硬件資源（包括輸入輸出設備的初始化、分配與回收）、控制程序運行、改善人機交互以及為上層應用軟件提供運行環境等。操作系統作為計算機之“魂”，是釋放硬件能力、構建應用生態的基礎。

從應用的角度看，操作系統的作用：一是服務於應用，二是管理應用。

• 一方面操作系統提供各種不同層次、不同功能的接口，以滿足上層應用的需求。
• 另一方面，操作系統負責對應用生命周期進行管理，包括初始化、啟動、調度、切換、銷毀等。

從硬件的角度看，操作系統主要包含兩類功能：

• 一方面操作系統將不同功能的硬件資源納入統一的管理。例如，內存管理，操作系統識別電腦中存在的多種不連續的、有限的物理內存區域，再采用某種內存管理分配機制進行分配與管理。
• 另一方面操作系統負責將不同功能硬件資源進行抽象，將有限的、離散的資源抽象為無限的、連續的資源，並將硬件資源通過接口提供給上層應用調用，從而使上層應用無需關心硬件的具體細節。例如，上層應用開發中，開發者無需關心物理內存硬件的容量、型號信息，而是面向一個近似無限的、統一的虛擬地址空間。

操作系統簡要結構

通常而言，狹義的操作系統指的是操作系統內核加上一個Shell（即UNIX/Linux等操作系統中的命令行頁面）。隨著硬件種類和應用需求越來越豐富，大量共性功能沉淀到操作系統中，操作系統的內涵和外延不斷擴大，因此，廣義的操作系統又可以進一步分為操作系統內核與操作系統框架。操作系統內核負責對硬件資源的管理與抽象，為操作系統框架提供基礎的系統服務（操作系統內核又分為宏內核、微內核等）；操作系統框架則基於操作系統內核提供的服務為不同的應用提供API接口與運行環境。

二、宏內核&微內核

現在操作系統大多采用宏內核架構（如UNIX、Linux等），操作系統將一些基本的、公共的、與硬件緊密相關的 (如中斷處理、內存管理、文件系統、設備驅動等)、運行頻率較高的功能（如進程調度、時鐘管理等）以及關鍵性的數據結構獨立出來，使之常駐內存，並對其進行保護。內核中采用模塊化設計組織各個功能，所有模塊運行於內核空間，模塊間通信直接調用模塊間提供的接口函數實現。

ea570133f50f0c9762e3a93a56f485a7宏內核基本架構

宏內核可以理解為是個很大的進程，其內部又能夠被分為若幹功能模塊（或者是若幹層）。宏內核在運行的時，為一個單獨的二進制大映象，模塊間的通訊是通過直接調用其他模塊中的函數實現的，而非消息傳遞。

宏內核中許多的功能模塊都在同一個內核空間上運行，伴隨著操作系統的發展，內核模塊的復雜度越來越高，操作系統在可靠性與安全性方面慢慢出現瞭一些問題，一個很小的bug都會使整個系統崩潰。為解決宏內核存在的問題，許多研發人員嘗試對宏內核架構進行解耦，將部分非核心功能（如文件系統、設備驅動等）從內核中拆分出來，作為一個獨立的服務運行於單獨的進程中，並為其提供進程間通信的能力（IPC Inter Process Communication），內核中隻保留最核心的功能（如內存管理、進程調度等），這種架構被稱為微內核架構。在微內核下服務與服務互相隔離，單個服務即使出現故障或受到安全攻擊，也不會導致整個操作系統的崩潰或被攻破，從而有效提供瞭操作系統的可靠性與安全性。

微內核基本架構

Minix

有興趣詳細研究微內核實現與原理的同學，可以研究一下Minix。Minix第一個版本於1987年發佈，是荷蘭計算機科學傢Andrew S. Tanenbaum為瞭教學而創作，如今為Andrew S. Tanenbaum教授所著《操作系統：設計與實現》的示例代碼。Minix啟發瞭Linux內核的創作。1990年，還在上大學的Linus Torvalds從Minix得到靈感，出於對操作系統的興趣，於1991年發佈瞭Linux。

Minix目前有三個主要的版本：

• Minix1 http://github.com/gdevic/minix1 Minix1是《操作系統：設計與實現》教材的演示代碼，側重於教學和學習（年代久遠，很難編譯安裝）。
• Minix 2.0.4http://download.minix3.org/previous-versions/Intel-2.0.4/Minix 2.0.4側重於自學，鏈接中有詳細的安裝教程。
• Minix 3.2.1 http://download.minix3.org/iso/minix_R3.2.1-972156d.iso.bz2 Minix 3.2.1是個實用版本，有iso映像可供下載，安裝方便。

三、宏內核VS微內核

自宏內核與微內核這兩種架構出現伊始，人們就兩者的優劣與特點展開瞭深入的討論。當前隨著物聯網時代的到來，使微內核架構的操作系統架構再次受到廣泛關註。

• 彈性擴展能力：對於一個龐大的宏內核來說，很難僅僅通過簡單的剪裁與擴展，使之滿足支持資源訴求從KB到TB級別的場景；而對於微內核，內核空間隻包含核心功能，天然具備模塊化解耦與彈性部署的能力。
• 功能安全：由於宏內核在故障隔離方面存在的缺陷，其安全與穩定性方面很難與微內核媲美。
• 進程間通信：微內核將非核心功能以單獨進程的方式運行於用戶態，不同系統功能的相互調用需要通過進程間通信實現（IPC Inter Process Communication）。相比於宏內核內核空間中模塊間通信采用函數，微內核采用進程間通信，通信效率較低。

當前智能終端呈現多樣化的發展趨勢，面對物聯網時代的到來，微內核天生具備的模塊化解耦、彈性部署的能力以及安全穩定的特性，非常符合物聯網的發展，但進程間通信（IPC Inter Process Communication）的性能無疑成為微內核的軟肋。

微內核雖然存在IPC性能軟肋，但IPC性能並非不可提升。德國計算機科學傢Jochen Liedtke（L3微內核與L4微內核系列的創造者）曾表示，高性能IPC的設計與實現必然是與體系結構相關的，過度的抽象將極大影響IPC的性能，而利用體系結構相關的狀態進行優化則可將IPC性能提升到極致。2019年華為HarmonyOS發佈會中，餘承東透露華為在微內核IPC優化方面的成果，采用微內核架構的HarmonyOS在IPC方面性能可以達到同樣采用微內核的Fuchsia操作系統的5倍。相信未來廣大技術研發人員不斷對IPC性能進行優化，微內核IPC的性能會有大的提升。

參考

維基百科 Regnecentralen：http://en.wikipedia.org/wiki/Regnecentralen

維基百科 RC_4000_multiprogramming_system：http://en.wikipedia.org/wiki/RC_4000_multiprogramming_system

維基百科 微內核：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BE%AE%E5%85%A7%E6%A0%B8

維基百科 Mach：http://zh.wikipedia.org/wiki/Mach

現代操作系統：原理與實現http://item.jd.com/12731379.html

操作系統的發展：http://www.feng.com/post/6209622

有關微內核：http://mp.weixin.qq.com/s/MLCR7qqGFWyyP0KcZqW3Kw

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