操作系統(tǒng)和普通的大型應用程序項目類似，都涉及代碼組織方式的問題，但操作系統(tǒng)的獨特之處在于其核心部分必須運行在內核態(tài)，kernel model，所謂內核態(tài)嚴格講是指在該狀態(tài)下程序擁有對硬件(hardware)的所有控制權，運行在用戶態(tài)的程序做不到這一點。

有的同學可能會有疑問，操作系統(tǒng)(或者說內核)不都是核心部分嗎？嚴格來講像進程管理調度、內存管理等就是核心部分，但像驅動等就不是那么核心了，那么這一部分也需要放在內核態(tài)嗎？

圍繞這一劃分，出現(xiàn)了兩種操作系統(tǒng)的設計方式，關于這兩種設計方法的爭論就和復雜指令集(CISC)與精簡指令集(RISC)哪個更好一樣至今 沒有非常明確的定論 。

大一統(tǒng)，全部運行在內核態(tài)

最簡單的劃分就是沒有劃分 ，我們可以把所有內核代碼放在內核態(tài)，內核中的任何代碼都擁有控制硬件的全部特權，顯然這種設計方法非常簡單，因為操作系統(tǒng)設計者不用費心去想哪一部分該放在內核態(tài)。

由于全部內核程序都運行在內核態(tài)，編譯好的內核程序就是一個單獨的二進制可執(zhí)行文件，這時的操作系統(tǒng)運行起來后就是一個大進程，所有內核代碼運行在一個單獨的地址空間中，這和我們實現(xiàn)的稍微復雜的單進程應用程序類似，這種大一統(tǒng)的設計就是所謂的宏內核，monolithic kernel，個人認為叫“一體化內核”更形象些。

這種組織方式和TCP/IP協(xié)議棧的分層實現(xiàn)有點類似。

現(xiàn)在內核代碼已經組織好了，畢竟內核是為上層應用提供服務的，那么上層應用該怎樣調用內核代碼呢？這就是系統(tǒng)調用的作用，system call。

上層應用程序通過系統(tǒng)調用與內核進行交互。

由于內核代碼唯一同一個地址空間中，因此內核中各部分的交互極為簡單，就是普通的函數(shù)調用，文件系統(tǒng)中的某塊cache可以非常容易的被虛擬內存系統(tǒng)共享使用。

但宏內核也是有缺點的，由于內核代碼位于同一個地址空間，代碼趨于復雜化，復雜就容易出錯，但內核和普通程序不同，一旦內核中某一模塊出現(xiàn)bug將導致整個內核崩潰，底層的內核崩潰后上層的應用程序就無法繼續(xù)正常推進。

當然也有人不在乎在這一點，Linus認為內核中有bug正常， 有bug就找到它、修復它而不是用某種機制試圖忽略它 ，沒錯，C++中的異常就是試圖忽略bug的機制，這就是為什么很多公司的規(guī)范中禁止使用異常的原因。

總之，內核崩潰后就必須重啟計算機。

保留核心，非必要不留在內核

為減少內核崩潰的風險，一個簡單的辦法就是讓內核盡量精簡，只保留核心部分運行在內核態(tài)，其它代碼以用戶態(tài)進程的形式運行，就像這樣：

運行在用戶態(tài)的操作系統(tǒng)程序被稱為server，像負責文件操作的File Server等，此時用戶進程想要使用操作系統(tǒng)提供的服務的話就必須借助進程間通信，inter-process communication，即IPC，借助內核，消息從一個進程發(fā)送到另一個進程然后等待返回。

這樣，內核只需要對上層應用提供一些簡單的接口即可，像創(chuàng)建進程、發(fā)送消息等，這種實現(xiàn)方式可以讓內核盡可能簡單，因為大部分內核程序都運行在用戶態(tài)，且運行在不同的地址空間中，此時設備驅動中的bug不會影響到內核，這種操作系統(tǒng)的實現(xiàn)方式就被稱為微內核， micro kernel。

就像宏內核那樣，微內核也有自己的缺點，那就是性能。由于宏內核的代碼都在同一個地址空間中，因此模塊間的交互可以非常簡單，簡單的函數(shù)調用即可，但模塊間交互對微內核來說則可能涉及進程間通信，看上圖，如果某個應用程序需要請求使用File Server，這條鏈路涉及到：

請求：應用程序 -> 內核 -> File server
返回：Filer server -> 內核 -> 應用程序

每一個"->"都涉及上下文切換，而這對宏內核來說則簡單很多。

現(xiàn)實中是什么樣子？

現(xiàn)實的操作系統(tǒng)中兩種實現(xiàn)方式都很常見，Linux以及許多Unix就是典型的宏內核，而Mac OS X 以及 Windows NT則一般認為是微內核，華為的鴻蒙Harmony OS則宣傳是微內核。

有趣的是，對Linus創(chuàng)建Linux影響極大的MINIX操作系統(tǒng)也是微內核，而Linux則是宏內核，難怪MINIX的作者——也是操作系統(tǒng)這門課的教授說過，如果Linus是他的學生的話那么操作系統(tǒng)系統(tǒng)這門課的期末考試Linus可能很難通過，哈哈，因為MINX的作者認為在Linux被創(chuàng)造出來的上世紀90年代竟然還有人以宏內核的方式來編寫操作系統(tǒng)，這簡直不可思議，而Linus則不以為意，并進行了火爆的回擊，關于這一段的八卦后續(xù)有機會和大家聊聊，非常有趣。

可以看到操作系統(tǒng)的設計方式就和CPU關于復雜指令集與精簡指令集的設計一樣分成了兩派， 關于宏內核與微內核孰優(yōu)孰劣爭論至今依然沒有定論 。