在文章《Windows核心编程入门1：什么是操作系统内核》中，我很详细的讲述了一下什么是操作系统内核。有了这个基础，我在来深入了解一下操作系统内核有哪几类，以及操作系统内核几种类型的设计原理和相互之间的差异。学习这些，可以促进我们对操作系统的理解。
    操作系统内核类型现在大概分为四种：单内核、微内核、混合内核（双内核）、外内核。我们下面来一个个逐步探讨。请注意我们探讨并不是以知识点方式探讨，而是以设计思想的变化形式来探讨，为什么有这么几个类型，为什么这么设计，这些类型的好坏等等。如果从思想上去感受不同的类型设计，学起来又轻松，有好理解。不必去记忆这几种类型，而是要理解这几种类型的背后思想，理解为什么这几个类型是这么一个名称。

1.单内核模式
    这里的内核的单个不是CPU的单核双核的意思。这个单内核表示的意思是，整个内核是一个进程。这一个进程就是内核进程，其他进程都不是内核进程。仅此一个内核进程哦。而且，这个进程内部，包含了所有内核基本功能模块，如内存管理，文件管理，进程线程管理等。
    那么这个内核进程无疑是系统最重要的进程了。如果这个进程挂了，可想而知，系统就崩溃了。我们平时看到Windows中一个进程出Bug崩溃了，这个进程就Over了。怎么办，关闭这个进程，然后重新启动这个进程呗。是的，对于普通进程来说，这个没有什么。然而对于系统进程来说，一旦内核进程出现了Bug，然后导致进程无法运行下去而崩溃了，这就表示系统崩溃了。就算你其他用户的普通进程还有很多数据没有处理，或者转账正在进行，系统也说挂就挂了，没得商量。然后，数据就消失了，损失就这么造成了。如果你对损失不清楚，那么举个例子来说。如果在进行转账，将A的1亿转给B，如果先扣掉A的钱，然后加B的钱，这样正常情况下，就完成了。然而内核进程在扣掉A钱之后，准备给B加钱的时候突然崩溃了。因为是系统内核进程，本来内核进程就是最大的Boss了，他要死了，谁还能做什么，然后突然天塌下来了。B没有收到钱，A的钱没有了，此时银行是没有很伤心，然而A就急死了。如果有记录，一切好说，如果没有记录，银行肯定不认账，银行就此获益1亿，A就完了。换一个做法，如果先给B加钱，然后再扣A的钱，加完钱后，内核进程崩溃了，结果B多了1亿，A没有扣掉，这样银行白白多支出1亿，银行肯定无论如何也要追回这个钱的。而且如果用户不退回去就是犯罪哦。哈哈哈，这是现实世界天朝发生过的案例哦。当然不是说系统崩溃，是说钱的问题。不管怎么样，都是系统出的问题。
    好了，到这里我想你大概了解了单内核的概念了吧。是不是看起来很危险呀，嘿嘿，确实很危险。所以，单内核操作系统要求系统开发人员非常可靠，必须保证系统内核的稳定。如果内核写的不好，而且这样的单内核系统，只要出bug，系统就崩溃了。即使是一些模块有问题，也会导致整个系统崩溃。这要是在工业系统、医疗系统，往往会出现大事故，搞不好爆炸，人命关天哦。所以这样的系统不适合在这些领域使用，就是因为这个特点。风险太大，谁又能够保证系统从不出错呢？
    那么单内核内部又是如何设计和运作的呢？为什么要设计这样的单内核操作系统呢？如果只有缺点，没有优点，这样的模式自然也就会被抛弃。所以，我们来看看他的优点。这个就要看看单内核内部的设计结构了。
    单内核就好比我们自己写的一个函数，在函数内用很多代码写了一个复杂的功能。比如，用switch判断，一种情况做一个处理，而且处理代码还在这个case下面写的。下面看看伪代码：

void kernel()
{
  while(1)
  {
    switch(type)
    {
        case 0:
            //所有内存相关的操作
            break;
        case 1:
            //所有文件相关的操作
            break;
        case 2:
            //所有进程线程相关的操作
            break;
        //其他case情况
    }
  }
}

    你可以把kernel函数当做内核进程的主函数，然后内核启动之后，不停的处理各种操作。这是一个模型，并不是真实的模拟。这个代码只是演示单内核的所有模块在一个进程中，而且可以相互用函数调用方式操作。更贴切点，可以理解为多个类，在同一个进程中，可以相互调用。
    你可以用C语言的模块思想来理解，将一个功能模块封装在一个函数里，多个函数就形成了多个模块，模块直接可以直接用函数调用即可。因为在同一个进程中，不用与其他进程打交道，内核内部的模块之间就是一家人，所以访问操作都是很直接的，所以这样执行的速度非常快，因此效率非常高。
    这也是单内核操作系统受欢迎的地方。只是不要将这类系统用在不能承担巨大损失的场合，一次损失也不行的。因为工业医疗这类，一次错误损失惨重。不过这类系统，还是可以用在很多场合的。而且，编写内核的人也可以写的很好。基本上是有保证的。不合适就不要勉强，也不能因为单内核系统的缺点而完全贬低他，毕竟他还有优点。
    然而，单内核的所有基本模块都在一个进程中，这样写代码和内核扩展性变得不好。单内核的映像文件也只有一个。不过这都不是事，可以通过在运行时动态加载模块运行。而且，可以将不同的模块分给不同的人来开发，都以模块形式加载到内核进程执行。在Windows中，典型的模块方式就是dll。这样既可满足扩展性，也可以让开发变得容易。这样可以将一个二进制的内核映像文件拆成多个模块文件，最后加载到内核进程中。
    同时，因为单内核是一个整体的设计思路，所以在一个进程中，模块之间相互调用简单方便，不需要很多机制。所以在设计上就非常容易设计。所以这也让单内核设计开发比其他内核开发容易的多。反正，有利就有弊。都在一块了，方便开发，方便互操作，然而却容易一次性全军覆没。而如果不在一起，沟通比较困难。等会仔细看看微内核的结构，再比较。
    那么单内核的设计思想简单粗暴，需要的模块都在一个进程中，既有优点也有缺点，我们可以将优点发挥，避开缺点就好。

2.微内核模式
    有了单内核的分析，我再来看微内核。什么是微内核呢？单内核将必要的基础功能都集中在一个进程中的。这个有风险，无法保证系统的稳定性和健壮性。所以，微内核可以解决这个问题。
    单内核可以一锅端，所以风险极大。即使写的人再高，也有可能有出错的时候。谁也无法保证。很多情况是不能容忍一次错误，就不能用单内核系统。加入系统开启发射核弹，然后敌人妥协了，然后要取消核弹发射。结果系统崩溃了，一下子无法取消了。等重启了系统，核弹已经发出去了。这样麻烦就大了去了。这样怪罪下来，这个系统的人，绝对要拿去枪毙了。或者，敌人还不咬咬切齿反攻，这个Bug岂不是代价最大的Bug了。
    微内核模式克服了单内核的这个缺点，就采用了多进程多线程方式。这样的话，一个微内核有好多个进程线程，每一个内核进程都是独立运行的，相互不依赖，相互不影响。这样一个内核进程崩溃，重启这个进程即可，系统还是正常运行。而且，不可能同时所有的内核进程都出bug崩溃的。这样无疑大大提高了系统的稳定性。
    在Windows系统中，你可能经常遇到资源管理器崩溃，然后导致打开的文件夹和文件都关掉了。然而这个并不会导致系统死掉。系统自动让资源管理器重新启动就可以了。虽然可能造成一些损失，但是还是可以接受的。
    微内核可以将基础而重要的模块放在内核中运行，把一些不太重要的放在用户态中运行。这样可以让内核变得更小。内核小了，自然系统常驻在内存的空间也就小了。用户用到用户态的功能时候，才启动那些功能，才加载到内存。这样系统运行速度也快了，硬件配置也就低了。
    不过，因为多进程分散了内核模块，这样内核模块之间的通信就变得麻烦，内核模块之间就必须使用进程间通信来沟通。单内核的时候，大家都在一个房间里聊天，微内核的时候，大家都有一个单独的房间了，更加安全，不会相互干扰了，然而想相互聊聊天，却被墙隔开了。进程之间有进程边界阻拦，就和墙是一个道理。那么不同房间的人可以通过打电话，聊QQ的方式相互沟通，然后这些需要成本呀，话费、电话设备，聊天沟通的效率就很低了，当年抬头就可以说话，现在还得用沟通设备沟通，如果网络不好的时候，更是难受。
    也正是这个原因，所以内核模块在相互沟通，协作完成功能的时候，在沟通上花费很多成本，所以导致执行效率变得低了。不过，也不是说绝对的低效率。因为这样的设计，会导致效率低下，但是如果处理的好，让沟通更容易了，效率也就提高了。
    不过你可以看到，因为微内核将多个模块分开了，自然还可以将一些不重要不常用的模块放在用户模块，用的时候才加载到内存，不用的时候就可以睡觉。这样可以定制内核的大小。这样可以做一个非常精简的内核。所以，你听说的很多内核可以增减模块，设备要求很低，就可以将很多不必要，用的不多的移除内核，然后需要的时候加载，不需要的时候也不占内存。
    那么微内核关键部分提供对硬件的抽象，其他很多的都可以让用户态的程序来做。通常叫做用户态服务器，其实就是一个用户态的程序，只是这个程序作为提供服务的程序而存在。微内核在嵌入式应用很广泛，如机器人、手机等。

3.混合内核模式（双内核）
    混合内核则是单内核与微内核的综合，更多的算是微内核的范畴。正是因为微内核大多的功能被放在了用户态服务器程序中，内核是小了，内核运行速度快了，然而很多常用模块却在用户态的服务器程序中，这些程序也要操作硬件，然后要转入内核态执行，比如文件操作。最终还是要操作IO硬件的，并且对于用户来说，这个功能时很频繁使用的，所以要经常切换到内核态再执行，这样也就导致了速度变慢。只要是在内核态的，都需要在内存中常驻。精简内核之后，用户的需求没有精简掉，所以很多放在用户态的内核代码还会经常切回到内核态执行，所以导致效率很低。
    为了解决这个问题，就是混合内核模式的发挥了。混合内核就是将这些运行在用户态的内核代码放回内核，即使不是最基本的内核模块，但是经常会用到，所以放在内核中，虽然占内存会大点，但是却让执行速度提高了，用户体验就好了。微软的Windows操作系统内核就是混合内核模式。为什么说Windows系统越高级后要求的配置越高了，因为内核越来越大了，很多重要的功能都放在内核中，系统一启动，就占据了很大的内存了。如果配置低了，内核就跑不起来，系统就运行不好了。
    混合内核更多偏重于业务，偏重于用户体验。你要知道，Windows的界面是系统的核心，而界面支持要耗费很多内核内存，这也是Linux不愿意支持界面的原因。Linux优先保证系统的高效运作，不太管你的业务需要，不太管你的用户体验。所以核心只支持字符命令，这样除掉了一个界面元素，内核不知道精简多少。不过Linux支持界面插件，选择性使用，不用界面的时候，跑的很好，用界面的时候，也是很费内存的，所以一般在服务器上，更偏向于用Linux，因为不要界面，节省内存哦。
    如果你深入了解内核的几种模式，你也就能明白Windows为什么臃肿，还不是为了用户体验。有舍才有得，这有什么好贬低的呢。操作系统为的是让我们更好的操作硬件，而不是当做一个纯粹的艺术品欣赏的。所以，Windows的优势就在于做好了用户体验，也符合人类的需求。简单好用可视化，就是最大的特色，所以Windows就流行了。
    如今的火热的安卓系统，不还是以界面作为重要的支持，如果哪个手机没有界面，只有输入命令操作，几个人用呢？安卓手机就好像是Windows的移动版。根本需求就是可视化简单的操作。

4.外内核模式
    最后一种就是外内核。这种内核模式，现在只是在研究实验阶段。并没有成熟的系统，不过我们可以学习一下，可以加深我们对系统内核的理解。
    操作系统内核是包装硬件，给上层提供操作硬件的支持。不过有时候，有些场合并不完全需要这样的效果。所以，也就有了另外一种模式。所以，不同的模式，也都是需求催生的，而不是拍脑袋想出来的。如果一个设计没有需求，也没有潜在的需求，谁去做呢，想想就可以了。
    前面几种都是包装硬件，给硬件抽象，让上层不直接操作硬件，让开发更加轻松。然而，有的场合需要应用直接操作硬件。怎么办呢？现有的系统明显不能满足，就连设计原则都违背，如何支持？
    所以就出现了外内核模式。简单来说，系统内核不抽象硬件，而是简单的管理硬件。它只管系统的保护和资源的复用。然后将硬件暴露给上层程序，这样的话，上层可以直接操作硬件哦。也就是说，我们的应用程序在外内核系统上，可以直接操作硬件哦。外内核可以让应用程序可以直接请求一个物理内存空间，或者一个磁盘扇区，然后直接对物理设备进行读写操作。系统只保证请求的硬件资源是可用的，就可以让你操作。在内核中，基本是真空的，没有任何限制。
    然而用户程序如果真的直接操作物理硬件，那不是编程很困难。当然，内核是不包装的，然而却可以在用户态提供一个运行库支持，让你更好更方便的操作硬件，也就是帮助你快速操作硬件。
    如此一来，我们要操作硬件，就不是依赖系统内核了，而是用户态的运行库了。用户态也就是内核之外了，这个运行库就好比一个内核，实际又不运行在内核，所以叫做外内核。这样的模式，给应用程序提供了直接操作硬件的机会。

    同时，内核外的运行库，可以让其他各种操作系统运行，运行库可以选择调用不同的操作系统。或者说，同时可以运行多个操作系统，然后这些操作系统通过外核上的运行库来操作硬件。这就好比，外内核只是简单的包装一下，然后可以支持多个操作系统运行，也可以支持应用程序直接操作硬件哦。想想还是挺激动的。

    最后，至于几种内核的比较，在每一种内核模式的讲解中，都基本说的很清楚了，就不重复说了。