按照發(fā)布會(huì)的PPT來看，鴻蒙OS有三層架構(gòu)，第一層是微內(nèi)核，第二層是基礎(chǔ)服務(wù)，第三層是程序框架。所謂的第二層基礎(chǔ)服務(wù)應(yīng)該就是那些從內(nèi)核態(tài)空間移到用戶態(tài)空間的基礎(chǔ)服務(wù)程序。當(dāng)然，也可能部分還是運(yùn)行的內(nèi)核態(tài)，更像是混合內(nèi)核。

當(dāng)下的鴻蒙OS依然是基于開源框架，只是關(guān)鍵模塊自我研發(fā)，也就是說，和各大手機(jī)廠商使用Android開源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各自的定制系統(tǒng)大概是一個(gè)意思。鴻蒙OS的愿景是2020年實(shí)現(xiàn)內(nèi)核和應(yīng)用框架自研，2021年實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同優(yōu)化。這里的軟硬件協(xié)同優(yōu)化，應(yīng)該是要解決進(jìn)程間通信(Inter-process communication, IPC)的性能問題，這個(gè)后面會(huì)詳細(xì)說一下。

關(guān)于鴻蒙OS不過多評價(jià)，時(shí)間是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。接下來主要聊一聊微內(nèi)核的概念。

微內(nèi)核(Microkernel or μ-kernel)，這個(gè)概念其實(shí)是相對于宏內(nèi)核(Monolithic kernel)而言的。

宏內(nèi)核與微內(nèi)核對比圖

我們常說的Linux/UNIX就是基于宏內(nèi)核的，內(nèi)核提供了相當(dāng)多的功能，包括驅(qū)動(dòng)，調(diào)度器，地址空間管理，進(jìn)程間通信，文件系統(tǒng)，虛擬文件系統(tǒng)，系統(tǒng)調(diào)用等，以Linux為例，其宏內(nèi)核的代碼量高達(dá)2700萬行。

宏內(nèi)核系統(tǒng)架構(gòu)

而微內(nèi)核僅提供調(diào)度器，地址空間管理以及進(jìn)程間通信等最基礎(chǔ)的功能，MINIX 3的微內(nèi)核僅1.2萬行代碼。

微內(nèi)核架構(gòu)

宏內(nèi)核與微內(nèi)核代碼量為什么會(huì)有這么大的區(qū)別呢？德國計(jì)算機(jī)科學(xué)家Jochen Liedtke提出的微內(nèi)核最小化原則，簡單的講就是，宏內(nèi)核所提供的所有功能，可以扔到用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)的，就一律扔到用戶態(tài)，內(nèi)核僅保留絕對必要的功能。這有點(diǎn)像奧卡姆剃刀原理，如非必須，勿增實(shí)體。也就是說，宏內(nèi)核提供了大量的冗余功能，兼容了太多的硬件，代碼量自然就大。而微內(nèi)核甚至把硬件的驅(qū)動(dòng)程序從內(nèi)核剝離出去，使其運(yùn)行在用戶態(tài)。

早期的宏內(nèi)核，其實(shí)很像我們今天所說的微內(nèi)核。早期設(shè)備本身的內(nèi)存空間有限，外設(shè)也極少，內(nèi)核需要支持的特性也很有限。但是隨著硬件的飛速發(fā)展，內(nèi)核需要支持更多的特性和更多的外設(shè)，宏內(nèi)核架構(gòu)的復(fù)雜性和代碼規(guī)模也就飛速增加起來了，內(nèi)核程序間的耦合度也越來越大。當(dāng)然，CPU速度的提升以及內(nèi)存空間的增加，讓我們基本上可以無視內(nèi)核對性能的消耗。但是5G時(shí)代，一個(gè)萬物互聯(lián)(Internet of Things, IoT)的時(shí)代，將有更多的小型智能設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，低功耗、低內(nèi)存、安全性成為了新的要求，在這些設(shè)備上跑宏內(nèi)核的系統(tǒng)絕對不是好的選擇，由此，微內(nèi)核的熱度又起來了。

早在上個(gè)世紀(jì)八九十年代，微內(nèi)核一度被炒的熱火朝天。但是一直因?yàn)樾阅軉栴}而沒有得到廣泛應(yīng)用。直到今天，微內(nèi)核在學(xué)界的熱度也遠(yuǎn)超工業(yè)界。每一次發(fā)展微內(nèi)核，都大致經(jīng)歷這樣的過程：把內(nèi)核的某些功能剝離出內(nèi)核，然后爆發(fā)性能問題，然后再把一部分功能移回到內(nèi)核。這樣就出現(xiàn)了很多介于宏內(nèi)核和微內(nèi)核之間的內(nèi)核形態(tài)，一般統(tǒng)稱為混合內(nèi)核。我們常見的Mac OS、Windows NT等用的就是這種混合內(nèi)核的架構(gòu)。

混合內(nèi)核

近幾年谷歌一直在研發(fā)Fuchsia系統(tǒng)，使用的Zircon內(nèi)核，才算是真正意義上的微內(nèi)核。

那么，微內(nèi)核到底有什么優(yōu)點(diǎn)呢？

分布式支持：微內(nèi)核各模塊采用IPC傳遞信息，對于IPC而言，無論是在本機(jī)，還是局域網(wǎng)或者廣域網(wǎng)，只要賦予進(jìn)程和設(shè)備唯一的標(biāo)識(shí)符，微內(nèi)核的設(shè)計(jì)幾乎是天然支持分布式系統(tǒng)的。

模塊化、低耦合：由于大部分服務(wù)程序被轉(zhuǎn)移到用戶態(tài)空間，系統(tǒng)就可以按需啟動(dòng)這些服務(wù)，按需接入外設(shè)。用戶態(tài)的進(jìn)程各自獨(dú)立，系統(tǒng)耦合度大大降低。

組件故障不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)重啟，內(nèi)核只需要重啟故障組件就可以恢復(fù)正常，系統(tǒng)穩(wěn)定性可以大大提高。熟悉Linux內(nèi)核編程的人都知道，內(nèi)核代碼出問題，往往會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。而用戶態(tài)程序不僅不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，而且易于調(diào)試。

微內(nèi)核系統(tǒng)功能升級(jí)也更容易，由于宏內(nèi)核的很多功能都是運(yùn)行在內(nèi)核，跟隨系統(tǒng)一起啟動(dòng)。雖然可以使用補(bǔ)丁實(shí)現(xiàn)故障修復(fù)和功能升級(jí)，但是依然有很多問題無法通過補(bǔ)丁解決，還是要依賴版本更換和重啟整個(gè)系統(tǒng)。而微內(nèi)核只需要替換相關(guān)組件，然后重啟組件即可。

內(nèi)核代碼零缺陷：由于微內(nèi)核代碼量極少，可以從數(shù)學(xué)角度進(jìn)行形式化驗(yàn)證，從而保證內(nèi)核代碼完全沒有缺陷，也就是所謂的Bug free。但是這并不是說整個(gè)系統(tǒng)沒有缺陷，系統(tǒng)本身還包括用戶態(tài)的服務(wù)程序，說白了，只是把缺陷轉(zhuǎn)移到相對安全的用戶態(tài)罷了。

那為什么微內(nèi)核直到今天也沒廣泛應(yīng)用呢？

原因前面已經(jīng)說了，微內(nèi)核的低效率是硬傷。微內(nèi)核依賴IPC實(shí)現(xiàn)通信，宏內(nèi)核的IPC效率就很不盡人意，微內(nèi)核則把IPC的低效率進(jìn)一步放大了。相對而言，宏內(nèi)核的文件系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)等以線程的方式工作在內(nèi)核空間，它們之間的通信可以都在內(nèi)核完成，不需要上下文切換，可以直接訪問共享資源，甚至可以直接相互調(diào)用接口達(dá)到通信的目的。而微內(nèi)核則需要通過IPC通信，觸發(fā)系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)存拷貝(異步通信需要拷貝兩次)，運(yùn)行上下文切換，阻塞進(jìn)程，這些操作開銷都很大。

Jochen Liedtke創(chuàng)造的L4 microkernel把IPC的系統(tǒng)開銷降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。如何實(shí)現(xiàn)呢？

首先，直接棄用異步IPC，所有通信均使用同步的方式。

然后把通信數(shù)據(jù)盡可能直接使用寄存器傳遞(這個(gè)涉及CPU指令集，有機(jī)會(huì)再細(xì)說)，這樣可以減少數(shù)據(jù)拷貝、內(nèi)存尋址、調(diào)度器切換運(yùn)行上下文的開銷。

最后為了解決同步通信造成進(jìn)程阻塞的問題，引入了進(jìn)程直接切換的概念，即當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，當(dāng)發(fā)送端發(fā)完數(shù)據(jù)時(shí)，直接將上下文切換到接收進(jìn)程，迅速完成數(shù)據(jù)傳遞和接收。

除此之外，微內(nèi)核效率差的另一個(gè)原因則是每指令的存儲(chǔ)器周期比宏內(nèi)核要長很多，這個(gè)就需要減少微內(nèi)核的緩存工作集來解決問題了。

微內(nèi)核效率差的原因除了IPC、指令存儲(chǔ)周期長外，還有一個(gè)觀念上的問題。華為鴻蒙OS的愿景是支持多終端，統(tǒng)一開發(fā)流程，也就是讓一個(gè)微內(nèi)核支持所有的應(yīng)用場景。而提高微內(nèi)核效率的一個(gè)解決方案卻是，設(shè)計(jì)單一目的(Single-purpose)、專用的微內(nèi)核。不知道華為鴻蒙OS是怎么解決這個(gè)問題的，還有點(diǎn)小期待呢。

編輯：hfy