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核心模式與用戶模式(Kernel Mode & User Mode)
我們都知道一臺計算機或者手機都要有個操作系統（Operating System簡稱OS），最常用的操作系統就是手機上的安卓(Android)和電腦上的Windows，其次還有蘋果手機上的iOS和蘋果筆記本上的macOS，也許你還聽說過另外的操作系統比如Unix、Linux、Ubuntu等等。總之，這些都是操作系統。
買一個硬件設備（電腦、筆記本或者手機），首先上面一般都已經安裝了操作系統，然後我們可以在操作系統的基礎上再安裝各種各樣的軟件程序或APP。硬件操作系統
軟件程序，這就像磚頭一層一層累加起來。
操作系統本身也是代碼編寫出來的，所以也是軟件。從這裏我們就可以看出來，同樣都是軟件，操作系統可以直接控制硬件，而應用程序不能直接控制硬件，必須要通過操作系統來間接使用硬件資源。
內核（kernel）就是操作系統的最主要代碼，我們也可以簡單的認爲Kernel（內核）就是指操作系統。
所有的軟件代碼，無論操作系統還是應用程序，本質是都是由中央處理器芯片（CPU）來運行的，但如果你安裝的APP代碼裏面有病毒怎麼辦？CPU運行這些有問題的代碼就會遇到困難，甚至會死機。
幾乎每個程序員都能開發應用程序APP，全世界的APP數不勝數，也就沒辦法嚴格控制以確保APP代碼不會導致死機。
但是操作系統就少很多，而且都是比較大型公司編寫的，也經過了很多的嚴格測試，相對而言就比較可控。
所以，計算機的CPU規定，“我只信賴操作系統的代碼，不信賴應用程序的代碼。如果應用程序代碼雲小時候遇到問題，操作系統你可以停止它。”
於是，遵照CPU的規則，Kernel核心代碼就運行在最高權限的核心模式下（Kernel mode），而應用程序代碼就只能運行在權限比較低的用戶模式下（User mode）。
Kernel mode是具有最高權限的模式，也叫做管理員模式（Supervisor mode）。
內核的作用
內核有什麼作用？或者我們說操作系統提供什麼功能，起什麼作用？
首先，要直接控制CPU和內存，我們暫且稱爲關鍵功能。
我們都知道計算機可以同時運行很多軟件做很多事，這叫做多進程（Multi-process）或者多任務（Multi-tasking），那麼操作系統就要能夠實現多個任務的管理和安排，還要負責多個任務之間的協作通信。一般的，主要包含：
- Virtual memory，將內存虛擬化以供應用程序使用。
- Task Schedules，任務排程。
- IPC，Inter-process communication，進程間通信。
其次，要實現基本的功能服務，我們暫且稱爲服務功能。
應用程序可以調用這些服務來實現各種功能，比較基礎的操作系統服務有：
- File System，文件系統，保存和讀取文件。
- Network，網絡服務，讓應用程序可以聯網。
- Graphic，圖形服務，提供屏幕上顯示圖形的能力。
- GUI，界面服務，提供界面工具按鈕顯示。
當然還有很多其他的，這裏就不一一列舉了。
另外，要能夠支援更多硬件設備，我們暫且稱爲設備驅動。
比如增加了一個攝像頭，一個光線傳感器，操作系統要確保這些設備能夠被應用程序使用起來才行。其實就是要對各種硬件的驅動進行管理，就是Device driver設備啓動服務。
微內核與宏內核 Microkernel & Monolithic Kernel
宏內核也叫大內核。宏內核與微內核的區別其實就是大內核與小內核的區別。
怎麼劃分？
Microkernel微內核只包含關鍵功能Virtual memory、Task Schedules和IPC，遵循“能多小就要多小”的設計原則。
Monolithic kernel則包含上面介紹的操作系統需要的全部功能。
其實，無論微內核系統或者宏內核系統，它們差不多都要提供那麼多的功能，誰也少不了太多。所以兩者看似是大小的區別或者是kernel代碼的區別，但本質上卻是把哪些功能放在了kernel mode，把哪些功能放在user mode的區別。
從維基百科給出的這張圖上明顯可以看出兩者的區別。
優劣對比
如果從歷史發展和現狀來對比，幾十年操作系統的發展結果早已清晰表明：宏內核獲得了絕對性的勝利。
因爲當前我們使用的主流操作系統，包括Windows、Android、iOS、macOS、Linux等等，都是宏內核操作系統或者說都是基於宏內核架構創建起來的。
但是我們也應該注意到以下幾點：
- 微內核也起源非常之早，可以追溯到1970年前後，一直以來是和宏內核同步發展的。
- 目前的主流操作系統早已經不是當年純粹的宏內核架構了，而是廣泛吸取微內核架構的優點而後揉合而成的混合內核Hybrid kernel。
- 當今宏內核架構遇到了越來越多的困難和挑戰，而微內核的優勢似乎越來越明顯，尤其是谷歌下一代操作系統Fuchsia['fjuʃə] 還是華爲未來的鴻蒙OS，都瞄準了微內核架構。
微內核爲什麼半個世紀沒有獲得成功？
這裏有很多原因，這裏只是其中可能的幾條：
- 性能問題。Kernel mode和User mode之間的切換更加耗時，比起把各種功能都打包在一起的宏內核，微內核需要太多的切換，這直接導致性能底下。當然現在無論是算法改進還是CPU支持都有了很大的進步，基本上可以說現在已經不是大問題了。
- 極致原則。微內核一直努力遵循“內核應該極小化”的原則(minimality)，這讓很多微內核研究者和開發者收到了束縛，在時代允許的硬件環境下難以對性能進行有效優化。
- 缺乏大企業支持。當然這也和微內核當初性能不佳有關。
那麼微內核的優勢在哪裏？
- 易於維護和升級。把衆多的服務功能和設備驅動從內核代碼中分離出來，如果只需要對某些功能進行改進，這樣無論是改代碼還是增加新功能，都不用去變動原來的核心代碼，當然效率高。
- 系統更加穩定。只要微內核的關鍵功能代碼不出問題，系統就不會崩潰。比如說如果文件服務代碼運行時候出了問題，宏內核因爲文件服務代碼是放在kernel mode的，直接就係統崩潰藍屏了。而微內核的文件服務代碼是放在user mode的，只要運行在kernel mode的代碼直接把文件服務功能強行停止然後重啓就可以繼續使用了，系統不會藍屏。
- 系統更加安全。微內核除了把額外的功能劃出kernel mode之外，還改變了任務之間的權限管理模式，它並不能像宏內核那樣直接給用戶安裝的APP授權訪問關鍵功能和各種服務、驅動，而是依賴於不斷的傳遞帶有授權信息的handle對象來實現授權，這雖然很繁瑣，但安全性無疑要比宏內核高很多。
- 系統更加可定製。宏內核把所有驅動和服務都打包在內核裏難以拆分，如果需要開發一個不需要網絡功能服務的操作系統就比較麻煩了。而微內核中各種服務都是單獨的，直接去掉很容易。這對當前越來越多樣化的小型智能硬件操作系統的開發非常有用。
- 分佈式計算。因爲微內核把各種服務和驅動都單獨開來，這就允許讓各種系統服務運行在不同的芯片、不同電腦上面，讓很多臺計算機一起來運行同一個操作系統，這對分佈式計算和雲計算提供了更多可能。
在windows2000之前，比如windows98或者windowsMe，文件服務、網絡服務等等這些功能都是打包放在kernel mode中運行的，只要其中一個服務出問題就直接藍屏。後來Window把很多服務功能都從核心中移出來，所以Windows7之後藍屏就明顯少了很多。
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蘋果的操作系統是不是微內核？
不是。Mac OS X是基於NeXT公司1985年至1999年開發的NeXTSTEP系統開發的，NeXTSTEP是基於Mach的，雖然Mach一般認爲是微內核架構，但NeXTSTEP的核心是基於自研XNU的Darwin系統，這是一種Hybrid kernel混合內核架構，它揉合了Mach和自研的設備驅動、輸入輸出等模塊，即使只說這個Mach，也是卡內基梅隆大學基於BSD研發的包含了文件系統的宏內核版本。
所以說，當今蘋果的iOS、macOS等操作系統都是起源於混合內核架構，不是微內核，也不是純粹的宏內核。
Exokernel外核
外核更小，比微內核還要小。外核的目標是讓應用程序獲得最多的控制硬件的自由，就是讓開發者對硬件控制更深，以便於開發出性能更好的應用程序。
在外內核的基礎之上，應用程序Program和庫文件Lib一起直接實現應用程序+操作系統的功能，稱之爲庫LibOS，它直接以最高權限運行，不存在kernel mode和user mode的區別，也去除了所有的冗餘，體積小，性能強。
如果我們把應用程序program和庫lib再深一步聯合打包成操作系統，那麼它甚至可以脫離外核而直接運行在物理硬件設備上，或者通過hypervisor超級管理員程序來激活運行，那麼這樣的系統我們叫做Unikernel。
可載入核心模塊Loadable kernel module
爲了減輕kernel內容，很多宏內核操作系統（windows、安卓等）直接把某些功能服務移到核心外面，只在需要使用的時候再加載進來，這些模塊就稱作可載入核心模塊。
當前大部分類Unix操作系統（Unix-like）和微軟操作系統都支持可載入核心模塊。
保護環Protection ring
這裏是指計算機CPU芯片在運行代碼時候的權限控制機制。kernel核心代碼運行在最高權限，Applications應用程序代碼運行在最低權限。
BSD操作系統 Berkeley Software Distribution
由伯克利大學研發和管理的一個基於Unix的系統，開始於大約1970年代。蘋果操作系統都起源於BSD系統，微軟也借用了BSD部分代碼。
Unix操作系統
1970年代，AT&T公司的貝爾實驗室Bell lib研發的一款多任務、多用戶操作系統。可以說是鼻祖級別的操作系統，數十年派生出了數十種操作系統，包含Linux、Android等。
雖然蘋果操作系統也是派生自Unix，但是也源於喬布斯1985年離開蘋果創辦的NeXT公司的操作系統，而NeXT操作系統Darwin的最核心部分是基於BSD改進的XNU，有趣的是XNU的意思是X is Not Unix。
Hypervisor超級管理員
這是運行在CPU上權限最高程序，相對於操作系統上最高權限的管理員Supervisor來說，Hypervisor更加厲害，它比操作系統級別還高，甚至用來啓動操作系統。
比較雜亂，有待整理
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