鴻蒙系統(tǒng)設(shè)計(jì)：宏內(nèi)核vs微內(nèi)核的基礎(chǔ)邏輯

當(dāng)鴻蒙OS宣布開源的時(shí)候，各種空洞的炒作，幾乎把國產(chǎn)操作系統(tǒng)的技術(shù)本質(zhì)掩蓋了，雖然筆者沒親眼見過鴻蒙的代碼，也沒用方舟成功編譯什么程序，不過當(dāng)華為官宣鴻蒙將使用微內(nèi)核的時(shí)候其實(shí)這款OS的風(fēng)格就已經(jīng)確定了，因?yàn)檫@就是內(nèi)核的價(jià)值和意義。
記得十幾年前筆者剛剛畢業(yè)，初次進(jìn)入嵌入式開發(fā)的圈子，那時(shí)總感覺操作系統(tǒng)距離我很遠(yuǎn)，甚至有些高不可攀。當(dāng)時(shí)看到CSDN論壇上各種有關(guān)WINCE、MINIGUI等嵌入式OS的發(fā)貼時(shí)，那些生硬的代碼真是給我當(dāng)時(shí)還年輕的心靈留下了巨大的陰影，不過這十年來雖然工作和嵌入式漸行漸遠(yuǎn)，但是不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)回頭來看，感覺操作內(nèi)核的設(shè)計(jì)并不是一個(gè)純數(shù)學(xué)或者技術(shù)的建模過程，甚至還反應(yīng)了我們?nèi)粘Ｉ钪械暮芏嗟览怼?br /> 在科技界有一句名言“如果你無法簡(jiǎn)潔的表達(dá)你的想法，那只說明你還不夠了解它”，所以經(jīng)過了這些年的沉淀，筆者嘗試使用最通俗的語言來向大家解釋，什么是內(nèi)核、什么又是微內(nèi)核，閱讀本文不需要讀者具備什么操作系統(tǒng)的知識(shí)。
宏內(nèi)核vs微內(nèi)核的基礎(chǔ)邏輯
上世紀(jì)90年代，微內(nèi)核操作Minix的作者Tanenbaum與微內(nèi)核操作系統(tǒng)Linux的作者Linus，曾經(jīng)有一段非常著名的論戰(zhàn)，(具體鏈接:https://www.oreilly.com/openbook/opensources/book/appa.html),這里筆者無意全文翻譯，只是想說即便是Linus這樣的大神級(jí)人物也難免會(huì)陷入誰優(yōu)誰劣的口水仗之中，而普通人士可能更難免俗，所以我們先擱置優(yōu)劣的爭(zhēng)議，先直觀來感受宏內(nèi)核與微內(nèi)核的架構(gòu)圖是什么樣子的。

圖1.宏內(nèi)核架構(gòu)圖

圖1.微內(nèi)核架構(gòu)圖
簡(jiǎn)單的講宏內(nèi)核就是操作系統(tǒng)是個(gè)大管家，幾乎包辦一切，用戶應(yīng)用程序的需求直接向內(nèi)核提出就行；微內(nèi)核更向一個(gè)代理人，幾乎所有的驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)全部運(yùn)行在與用戶應(yīng)用程序平級(jí)的用戶模式下。
內(nèi)核類型的簡(jiǎn)單類比
為了讓讀者理解起來更方便，接下來讓我們做一個(gè)比較簡(jiǎn)單的類比，如果把操作系統(tǒng)看成一家公司，而宏內(nèi)核的特點(diǎn)是用戶請(qǐng)求直達(dá)內(nèi)核，內(nèi)核統(tǒng)一安排執(zhí)行，這代表此公司使用扁平化的管理架構(gòu)，而微內(nèi)核的操作系統(tǒng)中則需要設(shè)立很多如驅(qū)動(dòng)，文件系統(tǒng)等部門，這顯示公司使用制度化、等級(jí)化的管理架構(gòu)。
簡(jiǎn)而之宏內(nèi)核代表的是層次簡(jiǎn)單的扁平化管理風(fēng)格，微內(nèi)核則代表多部門的制度化管理風(fēng)格。
基礎(chǔ)概念釋義
上下文及上下文切換：這個(gè)名詞經(jīng)常出現(xiàn)在各類操作系統(tǒng)的書籍當(dāng)中，還是以公司為例，上下文就代表了處理一個(gè)項(xiàng)目所需要的相關(guān)材料、文件，而上下文切換則代表這些材料文件在不同部門（進(jìn)程）或者領(lǐng)導(dǎo)（CPU）之間的流轉(zhuǎn)。
狀態(tài)保持（快照）及恢復(fù)：假設(shè)這樣一種場(chǎng)景，我正在領(lǐng)導(dǎo)的辦公室中匯報(bào)工作，此時(shí)外面另一個(gè)人有更重要的事情向領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)，由于涉及權(quán)限問題需要我先退出他的辦公室，那么我在退出前需要做一次狀態(tài)快照，以便領(lǐng)導(dǎo)處理完緊急事務(wù)后可以繼續(xù)處理我的工作。這就是計(jì)算機(jī)中狀態(tài)保持與恢復(fù)的過程。
基本推論
運(yùn)行效率宏內(nèi)核更優(yōu)：相信大家都有過跑部門跑公章的經(jīng)歷，很多時(shí)間、精力都浪費(fèi)在了部門（進(jìn)程）之間的上下文切換(上文已經(jīng)釋義)中了，微內(nèi)核在效率方面肯定是處于劣勢(shì)的，所以目前的主流操作系統(tǒng)如Linux和Windows本質(zhì)上使用的都是宏內(nèi)核，當(dāng)然有讀者可能會(huì)提出Windows使用的是混合內(nèi)核，不過這種混合內(nèi)核也是以效率優(yōu)先的扁平化架構(gòu)，本質(zhì)上還是宏內(nèi)核。
宏內(nèi)核vs微內(nèi)核誰更安全
有關(guān)安全性的比較，其實(shí)僅憑直覺就能得到正確結(jié)論。正如各位日常所見，正規(guī)軍隊(duì)采用的都是“下級(jí)服從上級(jí)、命令絕對(duì)執(zhí)行”的管理方式，而只有游擊隊(duì)才搞會(huì)扁平化管理的。其中邏輯也不難理解，扁平化雖然能有比較高的效率，但是難免會(huì)在身份鑒別、數(shù)據(jù)傳遞的過程中出現(xiàn)紕漏，從而給入侵者可稱之機(jī)。
而目前已有部分宏內(nèi)核如sel4（Github地址：https://github.com/seL4/seL4）已經(jīng)被形式化證明無誤（論文地址：http://ts.data61.csiro.au/publications/nicta_full_text/955.pdf），
對(duì)于sel4的形式化證明筆者在這里多聊幾句，從本質(zhì)上來說sel4的內(nèi)核代碼只有1萬行左右，而linux的內(nèi)核代碼已經(jīng)突破了2000萬行，所以微內(nèi)核的sel4由于其代碼數(shù)量較小，所以研究人員干脆將其內(nèi)核抽象成一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，進(jìn)而證明在狀態(tài)遷移與躍遷的過程中都不會(huì)發(fā)生會(huì)被惡意利用的漏洞，從而保證整個(gè)體系的安全。當(dāng)然這個(gè)安全也有前提：
一、不有有內(nèi)鬼：即生成內(nèi)核的編譯器、鏈接器與操作運(yùn)行的硬件環(huán)境如DMA等設(shè)備不能被提前惡意植入后門。
二、不能有密碼泄露：形式化驗(yàn)證只能保證制度體系本身不出問題，如果用戶將自身密碼泄露那系統(tǒng)是無法防范的。
不過我們也知道宏內(nèi)核的操作系統(tǒng)尤其是Windows，經(jīng)常會(huì)暴出安全漏洞，用戶在沒有泄露密碼且沒使用問題硬件的情況下，還是會(huì)遭到被黑客入侵。所以在安全性對(duì)比上微內(nèi)核可謂優(yōu)勢(shì)明顯。
宏內(nèi)核vs微內(nèi)核誰實(shí)時(shí)性強(qiáng)
這個(gè)問題的答案可能與讀者的第一反應(yīng)不同，效率更優(yōu)的宏內(nèi)核在實(shí)時(shí)性方面的表現(xiàn)其實(shí)不如微內(nèi)核。那些對(duì)于實(shí)時(shí)性要求極高的軍用操作系統(tǒng)（如vxWorks等）使用的都是微內(nèi)核架構(gòu)。
請(qǐng)想象這樣一個(gè)場(chǎng)景，假如我是公司的銷售部負(fù)責(zé)人，正在向總經(jīng)理匯報(bào)明年的銷售計(jì)劃，這時(shí)總經(jīng)理狀態(tài)一般辦公室屏蔽來訪，手機(jī)屏蔽來電，專門處理我的匯報(bào)，恰在此時(shí)讀者做為戰(zhàn)略部負(fù)責(zé)人帶著阿里即將收購公司的消息，來到總經(jīng)理辦公室門口，請(qǐng)求匯報(bào)。假設(shè)此時(shí)有關(guān)阿里收購匯報(bào)的優(yōu)先級(jí)是高于其它所有工作的優(yōu)先級(jí)，所以總經(jīng)理會(huì)把我匯報(bào)的內(nèi)容做一下狀態(tài)保持（快照），盡快安排戰(zhàn)略部負(fù)責(zé)人進(jìn)來匯報(bào)。
由于宏內(nèi)核的扁平化架構(gòu)，幾乎所有請(qǐng)求都是直達(dá)總經(jīng)理的，所以總經(jīng)理對(duì)于來訪及來電的屏蔽時(shí)間就會(huì)變得不可控，而反觀微內(nèi)核此時(shí)多部門的制度化架構(gòu)優(yōu)勢(shì)開始顯現(xiàn)，因?yàn)榭偨?jīng)理一般只要核對(duì)一下其它部門的處理過程是否合規(guī)，然后簽名即可，因此微內(nèi)核的最長(zhǎng)屏蔽時(shí)間是可預(yù)期的。
So當(dāng)我們?cè)谙蛳滤伎家粚泳蜁?huì)發(fā)現(xiàn)，制度化、流程化的微信核更能保證決策層在最短時(shí)間內(nèi)就給最重要的任務(wù)予以響應(yīng)。
宏內(nèi)核vs微內(nèi)核誰更適合多核處理器
其實(shí)目前微內(nèi)核的回歸正好說明了微內(nèi)核與多處理器的硬件平臺(tái)配合會(huì)更好。請(qǐng)想象這樣的場(chǎng)景,假如我是一家餐廳的外賣小哥，我向內(nèi)核發(fā)送了回單位取餐的請(qǐng)求，這是內(nèi)核會(huì)把這個(gè)請(qǐng)求拆解為兩個(gè)，一是我到達(dá)單位，狀態(tài)改為空閑的通知，二是幫我準(zhǔn)備指定的菜品，如果這家餐廳規(guī)模很小只有一個(gè)總經(jīng)理當(dāng)然沒有任何問題，不過如果餐廳有兩個(gè)決策人（雙核），那么我到達(dá)的通知可能先發(fā)給了總經(jīng)理1，而為我準(zhǔn)備菜品時(shí)總經(jīng)理1（核心1）有其它任務(wù)了，所以需要總經(jīng)理2（核心2）來安排協(xié)調(diào)了，這時(shí)就需要在總經(jīng)理1和總經(jīng)理2進(jìn)行上下文切換才可以滿足我的需求了。而微內(nèi)核在內(nèi)核下面設(shè)計(jì)有部門（服務(wù)進(jìn)程）的架構(gòu)，就幾乎不存在宏內(nèi)核在核心間調(diào)研上下文切換的問題。所以在總體來說，宏內(nèi)核會(huì)在CPU核心間不斷進(jìn)行上下文切換，而微內(nèi)核則不斷在部門（進(jìn)程）間進(jìn)行上下文切換。
當(dāng)然了宏內(nèi)核針對(duì)多處理器時(shí)代也不是完全束手無策，比如Linux就提出了用戶協(xié)議棧的概念，其本質(zhì)邏輯就是成立一個(gè)直屬某一總經(jīng)理的特別行動(dòng)小組，這一小組的所有任務(wù)全部在此總經(jīng)理的領(lǐng)導(dǎo)下進(jìn)行，從而避免跨總經(jīng)理間的上下文切換以提高效率，其實(shí)這種方案也有一定局限性，比如出現(xiàn)單個(gè)總經(jīng)理根本管不過來特別組的情況，該如何優(yōu)化其實(shí)還是有待探索。