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什么是微内核架构设计？

微内核架构

简介： 作为一名JAVA程序员 ， 相信同学们都听说过微内核架构设计 ， 也有自己的理解 。那么微内核是如何被提出来的？微内核在操作系统内核的设计中又有什么作用？本文从插件化(Plug-in)架构的角度来诠释微内核架构设计 ， 通过微内核架构和微服务架构的对比 ， 分享其对微服务设计的参考意义 。

什么是微内核架构设计？

文章插图
 
关于微内核架构设计现在比较热 ， 听起来好像是操作系统内核相关的 ， 作为Java程序员 ， 操作系统内核那么遥远的事情 ， 好像和我们没有什么关系 。但是如果我说微内核其实就是插件化(Plug-in)架构 ， 你一定会一脸疑惑 ， “你居然向Java程序员解释什么是插件化架构？我每天都在用啊 ， Eclipse、IntelliJ IDEA、OSGi、Spring Plugin、SPI等 ， 哪个不是插件化架构 。我的一些项目也是采用插件化设计的 ， 如使用插件实现流程控制定制等等” 。但是别着急 ， 即便是我们每天都在使用的技术 ， 而且大多数人也都知道 ， 如果我们能将其阐述得更清楚 ， 并且能从中发现一些问题 ， 做出一些优化有助于以后的架构设计 ， 那么大多数人在日常的设计和开发中都能受益 ， 岂不是更好 。现在我们就来聊一聊微内核架构设计 。
一、 微内核设计之操作系统内核微内核设计其实就是插件体系 。我们都知道 ， 操作系统内核诞生得比较早 ， 所以插件化最早被用在内核设计上 ， 于是就有了微内核设计这一称呼 。
微内核是这样一种内核：它只完成内核不得不完成的功能 ， 包括时钟中断、进程创建与销毁、进程调度、进程间通信 ， 而其他的诸如文件系统、内存管理、设备驱动等都被作为系统进程放到了用户态空间 。说白了 ， 微内核是相对于宏内核而言的 ， 像linux就是典型的宏内核 ， 它除了时钟中断、进程创建与销毁、进程调度、进程间通信外 ， 其他的文件系统、内存管理、输入输出、设备驱动管理都需要内核完成 。
也就是说 ， 微内核是相对宏内核而言的 ， 宏内核是一个包含非常多功能的底层程序 ， 也就是我们现在讲的Monolith 。它干的事情非常多 ， 而且不是可插拔的 ， 修改一些小的功能 ， 都会涉及到整个程序的重新编译等 ， 比如一个功能出现了一个小bug ， 可能导致整个内核都出问题 。这也是很多人将Linux称为monolithic OS的原因 。而微内核只负责最核心的功能 ， 其他功能都是通过用户态独立进程以插件方式加入进来 ， 然后微内核负责进程的管理、调度和进程之间通讯 ， 从而完成整个内核需要的功能 。基本一个功能出现问题 ， 但是该功能是以独立进程方式存在的 ， 不会对其他进程有什么影响从而导致内核不可用 ， 最多就是内核某一功能现在不可用而已 。
微内核就是一个运行在最高级别的程序片段 ， 它能完成用户态程序不能完成的一些功能 。微内核通过进程间通信来协调各个系统进程间的合作 ， 这就需要系统调用 ， 而系统调用需要切换堆栈以及保护进程现场 ， 比较耗费时间；而宏内核则是通过简单的函数调用来完成各个模块之间的合作 ， 所以理论上宏内核效率要比微内核高 。这个和微服务的架构设计一样 ， 我们将Monolith应用划分为多个小应用后 ， 系统的设计就变得比较复杂了 ， 之前都是应用内部函数调用 ， 现在要涉及网络通讯、超时等问题 ， 同时响应时间会被拉长 。
聊到这里 ， 相信大家对微内核和宏内核已经有了一个大致的了解 ， 看起来各有千秋 。但是宏内核有一个最大的问题就是定制和维护陈本 。现在的移动设备和IoT设备越来越多 ， 如果要把一个庞大复杂的内核适配到某一设备上 ， 是一件非常复杂的事情 ， 如果很简单的话 ， 那么把Linux内核适配到Android内核 ， 甚至到Tesla等车载系统 ， 基本上人人都可以做了 。
因此我们更需要一个微内核的架构设计 ， 方便定制 ， 而且非常小 ， 可以实现功能的热替换或者在线更新等 ， 这就是微内核被提出来的核心需求 。但是微内核有一个运行的效率问题 ， 所以在微内核和宏内核之间 ， 又有了Hybrid内核 ， 主要是想拥有微内核的灵活性 ， 同时在关键点上有宏内核的性能 。微内核设计在理论上确实有效率问题 ， 但是随着芯片设计、硬件性能提升等 ， 这方面或许已经有了非常大的提升 ， 已经不再是最关键的问题 。


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