微内核到底是什么？一文带你认识微内核

UNIX以及类UNIX系统如Linux都是典型的宏内核设计，也就是把所有系统服务都放到内核里，因为系统服务代码之间存在大量数据交换和大量的服务请求，而在同一个代码段内进行函数调用(C语言)或跳转(汇编或者机器码时代)是最直接、高效的方法，在同一片地址空间也方便数据交换，所以这样的宏内核设计是很自然的。

但是随着UNIX内核功能的拓展(文件系统、TCP/IP网络协议栈、进程管理、内存管理、驱动程序等)，UNIX内核代码也相应增加了很多，进而在可维护性.稳定性，安全性方面面临一些挑战。为了试图解决这些挑战，人们开始尝试使用微内核的思想来设计系统内核。

宏内核系统相关的服务基本都是放于内核态内核中，例如文件系统、设备驱动、虚拟内存管理、网络协议栈等；而微内核则把更多的系统服务（例如文件系统、POSIX服务、网络协议栈甚至外设驱动）放到用户态应用，形成一个个服务，等待其他应用的请求。而后来，为了在宏内核与微内核之间扬长避短，也发展出了中间的混合内核的形态，部分服务也会放置于内核中。

三代。

这个时候由于UNIX系统广泛使用带来的商业利益，此时BSD系统开发者与UNIX的拥有者AT&T陷入了法律大战，Mach使用的BSD相关代码有了法律风险。提升性能的期望和规避法律风险的需求推动着Mach 3.0的开发，Mach 3.0的开发目标主要是为了替换BSD系统服务，同时尽量多地将系统服务放到内核之外去运行，成为名副其实的微内核设计。经过众多开发者3年的努力，Mach 3.0于1990年发布，但是由于在系统服务之间完全使用IPC通信，而不是向宏内核那样直接进行函数调用，即便是多处理器机器上运行也性能损失惨重，Mach 3.0最多比UNIX损失 67% 运行效率，这导致Mach 3.0以及其所代表的第一代微内核设计被看衰。此后断断续续有在Mach的基础上对性能进行提升的尝试，但是均不太理想，至此Mach成为了微内核第一代先驱者。

第二代微内核的代表除了有L4内核，也还有其他微内核比如Exokernel、Rambler等，不过商业上最成功的则是目前黑莓公司旗下的QNX系统所使用的Neutrino内核（QNX，1980年诞生，最初以QUICK UNIX为名，后改为QNX；2004年QNX被Harman国际收购；2010年Harman国际下被黑莓收购，QNX成为黑莓旗下的资产），QNX主要为高可靠领域提供解决方案，比如交通、能源、医疗、航天航空等。

空间的概念，进程在使用IPC请求系统服务时必须具备相对应的能力，进程持有不可伪造的令牌来表示拥有请求某种服务的能力。令牌可以被复制，可以被转移，还可以通过IPC进行传输。令牌其实是一个指向存在于内核空间内核对象的指针，所以普通进程并不能修改自身以及其他进程的权限分配，但是内核可以对令牌指定的权限进行控制，从而保证了用户态不能绕过能力空间

这个机制对系统服务造成滥用。

seL4还是第一个完全通过形式化验证的内核，通俗说形式化验证就是在数学软件的帮助下使用数学语言自动化地推导检查系统的每一个运行状态。

空间管理功能。zircon区别于以进程或者以文件为核心的设计，zircon是以内存为核心来设计的，内存在zircon中是以对象的方式存在，可以通过channel通信机制传递虚拟内存对象（Virtual memory object）的句柄，进程拿到句柄后可以把这块内存映射到自己的空间

。

Minix系统则由荷兰阿姆斯特丹的Vrije大学的Andrew S.Tanenbaum教授所开发。该系统大的特点是可以故障隔离，自动重启失败的服务。Minix使用分层设计，最底层的微内核提供中断处理、进程管理、进程通信等服务，这一层运行在内核态；中间层提供轮回服务(Reincarnation Server)、文件服务、进程管理、X图形服务以及驱动等，这一层运行在用户态；最上层为用户进程。其中轮回服务负责在中间层的服务出现崩溃时重启这些服务，从而保证服务的自我修复。Minix由于其自我修复特性被英特尔管理引擎（ME）所选用，该管理引擎主要负责管理英特尔芯片的内部模块。

优点

1-系统服务模块化，可移植性高；

2-内核安全性提高(模块内部的bug不影响内核稳定，将黑客利用软件漏洞造成的破坏限制在单个模块内部)；

3-可以多套系统服务共存，相当于同时运行多种操作系统；

4-稳定统一的接口(可以独立维护私有驱动以及服务，不需要跟内核源码绑定)；

5-在商业上，微内核可以避免代码受到一些开源协议的影响，比如GPL协议；

6-内核精简，可以进行形式化验证，利用数学证明内核的安全性；

7-数学可证明的实时性；

8-非常适合多处理器系统设计，在多处理器核心计算机上，互相依赖的系统服务可以同时运行；

缺点

1-通过进程通信的方式交换数据或者调用系统服务，而不是使用系统调用，造成额外的操作系统开销；

2-使用一些频繁使用的系统服务时，比如网络收发数据，造成的进程上下文切换对操作系统来说也是一个负担；

3-由于系统服务高度模块化，系统服务之间存在大量的内存复制；

4-对互相之间存在复杂调用关系的系统服务，难以设计通信接口；

5-系统服务与内核在地址空间上分离，造成代码局部性差，降低了cache命中率；

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