一文讀懂微核心

2019年8月9日華為 餘承東 釋出HarmonyOS 1.0，HarmonyOS的釋出将一個計算機領域内非常專業的詞帶到了廣大公衆的視線内，這就是<code>微核心</code>。

事實上，<code>微核心</code>并不是一個新概念。早在1969年，UNIX系統開始設計的時候，類似微核心架構的作業系統就已經出現。1969年，丹麥計算機科學家<code>Per Brinch Hansen</code>開發的<code>RC 4000 Multiprogramming System</code>作業系統，是曆史上第一次将作業系統元件分離為各個互相互動的元件，将<code>核心</code>簡化為僅用于通信和支援系統，并使用<code>管道共享記憶體</code>作為其程序間通信的基礎。如今回看<code>RC 4000 Multiprogramming System</code>雖然其本身并不是很成功，但激發了微核心概念。

繼續HarmonyOS的話題，看了HarmonyOS 1.0釋出會回放後，我有一個疑問：

<code>什麼是宏核心，什麼又是微核心，微核心相比于宏核心真的有如此大的優勢嗎？</code>

華為HarmonyOS 1.0釋出會直播回放：

https://www.bilibili.com/video/av62950256/

了解<code>微核心</code>與<code>宏核心</code>之前，首先了解一下<code>作業系統</code>？

<code>作業系統（Operating System）</code>是現代計算平台的基礎與核心支撐系統，負責<code>管理硬體資源</code>（包括輸入輸出裝置的初始化、配置設定與回收）、<code>控制程式運作</code>、<code>改善人機互動</code>以及<code>為上層應用軟體提供運作環境</code>等。作業系統作為計算機之“魂”，是<code>釋放硬體能力、建構應用生态的基礎</code>。

從應用的角度看，作業系統的作用：<code>一是服務于應用，二是管理應用</code>。

一方面作業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，作業系統負責對應用生命周期進行管理，包括初始化、啟動、排程、切換、銷毀等。

從硬體的角度看，作業系統主要包含兩類功能：

一方面作業系統将不同功能的硬體資源納入統一的管理。

例如，記憶體管理，作業系統識别電腦中存在的多種不連續的、有限的實體記憶體區域，再采用某種記憶體管理配置設定機制進行配置設定與管理。

另一方面作業系統負責将不同功能硬體資源進行抽象，将有限的、離散的資源抽象為無限的、連續的資源，并将硬體資源通過接口提供給上層應用調用，進而使上層應用無需關心硬體的具體細節。

例如，上層應用開發中，開發者無需關心實體記憶體硬體的容量、型号資訊，而是面向一個近似無限的、統一的虛拟位址空間。

通常而言，<code>狹義</code>的作業系統指的是<code>作業系統核心加上一個Shell</code>（即UNIX/Linux等作業系統中的指令行頁面）。随着硬體種類和應用需求越來越豐富，大量共性功能沉澱到作業系統中，作業系統的内涵和外延不斷擴大，是以，<code>廣義</code>的作業系統又可以進一步分為<code>作業系統核心與作業系統架構</code>。作業系統核心負責對硬體資源的管理與抽象，為作業系統架構提供基礎的系統服務（作業系統核心又分為宏核心、微核心等）；作業系統架構則基于作業系統核心提供的服務為不同的應用提供API接口與運作環境。

現在作業系統大多采用<code>宏核心架構</code>（如UNIX、Linux等），<code>作業系統将一些基本的、公共的、與硬體緊密相關的 (如中斷處理、記憶體管理、檔案系統、裝置驅動等)、運作頻率較高的功能（如程序排程、時鐘管理等）以及關鍵性的資料結構獨立出來，使之常駐記憶體，并對其進行保護。核心中采用子產品化設計組織各個功能，所有子產品運作于核心空間，子產品間通信直接調用子產品間提供的接口函數實作。</code>

<code>宏核心</code>可以了解為是個很大的程序，其内部又能夠被分為若幹功能子產品（或者是若幹層）。宏核心在運作的時，為一個單獨的二進制大映象，子產品間的通訊是通過直接調用其他子產品中的函數實作的，而非消息傳遞。

宏核心中許多的功能子產品都在同一個核心空間上運作，伴随着作業系統的發展，核心子產品的複雜度越來越高，作業系統在<code>可靠性</code>與<code>安全性</code>方面慢慢出現了一些問題，一個很小的bug都會使整個系統崩潰。為解決宏核心存在的問題，許多研發人員嘗試<code>對宏核心架構進行解耦，将部分非核心功能（如檔案系統、裝置驅動等）從核心中拆分出來，作為一個獨立的服務運作于單獨的程序中，并為其提供程序間通信的能力（IPC Inter Process Communication），核心中隻保留最核心的功能（如記憶體管理、程序排程等），這種架構被稱為微核心架構。在微核心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，也不會導緻整個作業系統的崩潰或被攻破，進而有效提供了作業系統的可靠性與安全性。</code>

有興趣詳細研究<code>微核心</code>實作與原理的同學，可以研究一下<code>Minix</code>。

<code>Minix</code>第一個版本于1987年釋出，是荷蘭計算機科學家<code>Andrew S. Tanenbaum</code>為了教學而創作，如今為<code>Andrew S. Tanenbaum</code>教授所著<code>《作業系統：設計與實作》</code>的示例代碼。

<code>Minix</code>啟發了<code>Linux核心</code>的創作。1990年，還在上大學的<code>Linus Torvalds</code>從<code>Minix</code>得到靈感，出于對作業系統的興趣，于1991年釋出了Linux。

Minix目前有三個主要的版本：

Minix1

https://github.com/gdevic/minix1

Minix1是《作業系統：設計與實作》教材的示範代碼，側重于教學和學習（年代久遠，很難編譯安裝）。

Minix 2.0.4

http://download.minix3.org/previous-versions/Intel-2.0.4/

Minix 2.0.4側重于自學，連結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映像可供下載下傳，安裝友善。

自宏核心與微核心這兩種架構出現伊始，人們就兩者的優劣與特點展開了深入的讨論。

目前随着物聯網時代的到來，使微核心架構的作業系統架構再次受到廣泛關注。

彈性擴充能力：

對于一個龐大的宏核心來說，很難僅僅通過簡單的剪裁與擴充，使之滿足支援資源訴求從KB到TB級别的場景；而對于微核心，核心空間隻包含核心功能，天然具備子產品化解耦與彈性部署的能力。

功能安全：

由于宏核心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核心媲美。

程序間通信：

微核心将非核心功能以單獨程序的方式運作于使用者态，不同系統功能的互相調用需要通過程序間通信實作（IPC Inter Process Communication）。相比于宏核心核心空間中子產品間通信采用函數，微核心采用程序間通信，通信效率較低。

目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，<code>微核心天生具備的子產品化解耦、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</code>，但程序間通信（IPC Inter Process Communication）的<code>性能</code>無疑成為<code>微核心的軟肋</code>。

微核心雖然存在IPC性能軟肋，但IPC性能并非不可提升。

德國計算機科學家Jochen Liedtke（L3微核心與L4微核心系列的創造者）曾表示，<code>高性能IPC的設計與實作必然是與體系結構相關的，過度的抽象将極大影響IPC的性能，而利用體系結構相關的狀态進行優化則可将IPC性能提升到極緻</code>。

2019年華為HarmonyOS釋出會中，餘承東透露華為在微核心IPC優化方面的成果，<code>采用微核心架構的HarmonyOS在IPC方面性能可以達到同樣采用微核心的Fuchsia作業系統的5倍</code>。

相信未來廣大技術研發人員不斷對IPC性能進行優化，微核心IPC的性能會有大的提升。

維基百科 Regnecentralen：

https://en.wikipedia.org/wiki/Regnecentralen

維基百科 RC_4000_multiprogramming_system：

https://en.wikipedia.org/wiki/RC_4000_multiprogramming_system

維基百科 微核心：

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BE%AE%E5%85%A7%E6%A0%B8

維基百科 Mach：

https://zh.wikipedia.org/wiki/Mach

現代作業系統：原理與實作

https://item.jd.com/12731379.html

作業系統的發展：

https://www.feng.com/post/6209622

有關微核心：

https://mp.weixin.qq.com/s/MLCR7qqGFWyyP0KcZqW3Kw