2022.30 微内核架构

微内核架构（Microkernel Architecture），也被称为插件化架构（Plug-in Architecture），是一种面向功能进行拆分的可扩展性架构。

微内核架构最大的优势是允许第三方开发者添加额外的插件化应用，前提是该插件应用需要遵从下文所述的开发规范。采用微内核架构的软件随处可见，如IDE软件Eclipse、VsCode、企业ERP软件，这类软件自身具备丰富功能，同时支持第三方应用的即插即用，而且第三方插件化程序的安装、运行、卸载以及故障不会对原有系统造成任何影响。

微内核架构包含两类组件：核心系统（core system）和插件模块（plug-in modules）。核心系统负责和具体业务功能无关的通用功能，例如模块加载、模块间通信等；微内核的架构本质就是将变化部分封装在插件里面，从而达到快速灵活扩展的目的，而又不影响整体系统的稳定。

微内核的核心系统设计的关键技术有：插件管理、插件连接和插件通信。

1. 插件管理

核心系统需要知道当前有哪些插件可用，如何加载这些插件，什么时候加载插件。常见的实现方法是插件注册表机制。

核心系统提供插件注册表（可以是配置文件，也可以是代码，还可以是数据库），插件注册表含有每个插件模块的信息，包括它的名字、位置、加载时机（启动就加载，还是按需加载）等。

2. 插件连接

插件连接指插件如何连接到核心系统。通常来说，核心系统必须制定插件和核心系统的连接规范，然后插件按照规范实现，核心系统按照规范加载即可。常见的连接机制有 OSGi（Eclipse 使用）、消息模式、依赖注入（Spring 使用），甚至使用分布式的协议都是可以的，比如 RPC 或者 HTTP Web 的方式。

3. 插件通信

插件通信指插件间的通信。虽然设计的时候插件间是完全解耦的，但实际业务运行过程中，必然会出现某个业务流程需要多个插件协作，这就要求两个插件间进行通信。由于插件之间没有直接联系，通信必须通过核心系统，因此核心系统需要提供插件通信机制。

这种情况和计算机类似，计算机的 CPU、硬盘、内存、网卡是独立设计的配件，但计算机运行过程中，CPU 和内存、内存和硬盘肯定是有通信的，计算机通过主板上的总线提供了这些组件之间的通信功能。微内核的核心系统也必须提供类似的通信机制，各个插件之间才能进行正常的通信。

微内核已存在很长的历史，有很多操作系统是基于微内核设计的，如Mach，用于GNU Hurd和Mac OS X，Minix、QNX、RT-Thread等，但在商业操作系统中占的份额很少，微内核主要在学界的热度更高。

每一次发展微内核，都大致经历这样的过程：把内核的某些功能剥离出内核，然后爆发性能问题，然后再把一部分功能移回到内核。这样就出现了很多介于宏内核和微内核之间的内核形态，一般统称为混合内核。我们常见的Mac OS、Windows NT等用的就是这种混合内核的架构。

Linux/UNIX是基于宏内核的，内核提供了相当多的功能，包括驱动，调度器，地址空间管理，进程间通信，文件系统，虚拟文件系统，系统调用等，其宏内核的代码量高达2700万行。而微内核仅提供调度器，地址空间管理以及进程间通信等最基础的功能，MINIX 3的微内核仅1.2万行代码。

微内核的低效率是硬伤，宏内核的文件系统，驱动等以线程的方式工作在内核空间，它们之间的通信可以都在内核完成，不需要上下文切换，可以直接访问共享资源，甚至可以直接相互调用接口达到通信的目的，而微内核则需要通过IPC通信，触发系统调用，内存拷贝(异步通信需要拷贝两次)，运行上下文切换，阻塞进程，这些操作开销都很大。

其实，早在 1992 年，Linus 曾经与 Tanenbaum（Minix作者，操作系统方面专家） 进行过一场关于Linux操作系统内核选择的著名争论。

Tanenbaum 认为，以微内核架构设计的操作系统，在理论上，比宏内核架构更加优越，主张Linux应该以微内核架构来进行重新设计。但是 Linus 以开发实务上的观点展开反击，陈述 Linux 选择宏内核架构进行开发的理由：从哲学及美学的观点出发，微核心的确是一个比较好的架构，但是采用微核心架构的GNU Hurd根本没有如期被成功开发出来，所以他才要开发Linux，操作系统核心主要的功能都倚靠硬件特性，所以内核本身不需要过度具备可移植性，让高级的软件应用程序接口具备可移植性才是更重要的，以Linux来跟Minix比较，移植程序到Linux上是更容易的。Linux内核采用集成式核心架构，是因为它能够简化核心设计，这是一个权衡下的结果。Linux一开始针对Intel 80386架构来开发，因为Linus自己买的电脑就是80386，对80386架构了解更多，Linux一开始就是他准备自己使用的，如果想要移植到别的平台，代码都是开放的，想要的人可以自己做。不过，Linux也吸收了微内核的优点：模块化设计，支持动态装载内核模块，还避免了微内核设计上的缺陷，让一切都运行在内核态，直接调用函数，无需消息传递。

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