面试官：说说操作系统微内核和Dubbo微内核？

你好，我是 yes。

在之前的文章已经提到了 RPC 的核心，想必一个 RPC 通信大致的流程和基本原理已经清晰了。

这篇文章借着 Dubbo 来说说微内核这种设计思想，不会扯到 Dubbo 某个具体细节实现上，和 Dubbo 强相关的内容会在之后的文章写到。

所以今天的重点在微内核，而这个概念我最早是从操作系统那里得知，不过操作系统的微内核和 Dubbo 相关的微内核又不太一样。

Dubbo 的微内核广义上的微内核，而操作系统只是针对内核实现。

这么说你肯定不清楚，别急，听我慢慢道来。

我们先看看操作系统的微内核。

操作系统中的微内核

在维基百科上搜索微内核出现的就是：

在计算机科学中，微内核（英语：Microkernel，μ-kernel），是一种内核的设计架构，由尽可能精简的程序所组成，以实现一个操作系统所需要的最基本功能，包括了底层的寻址空间管理、线程管理、与进程间通信。

这个词条归类在操作系统技术下，所以这里的微内核指的就是操作系统的内核设计，与之对应的是宏内核架构。

Linux 就是宏内核架构。

操作系统我们都知道它是一个中间层，为我们管理底层的硬件资源，为上层服务提供接口。

提供进程管理、内存管理、文件系统、进程通信等功能。

像 Linux 这样的宏内核设计是把这些功能都作为内核来实现，而微内核则仅保留最基础的功能。

比如就留下进程的管理、内存管理等，把文件管理等功能剥离出去，变成用户空间的独立进程来提供服务。

来看下这个维基百科上的这个图应该就很清晰了。

宏内核中的一些功能在微内核架构上都被独立到用户态中，这样内核代码量就少了。

代码少了潜在的 bug 就少，出了问题也更容易排查。

系统也就更加稳定，不易奔溃，因为那些服务从内核中移除，在用户空间运行着，如果出了故障，内核重启这个服务就好了，不会像之前那样整个内核 GG。

拿显卡驱动来说，出问题就蓝屏，这要是微内核设计就可以重启显卡驱动。

听起来好像微内核很好啊？并不是，接下来就说说微内核的缺点。

首先是性能问题。

因为很多功能作为独立进程放到用户空间运行了，所以宏内核时的函数调用就变成了进程间调用，涉及进程间的通信，还会伴随着内核态和用户态的来回切换，我们知道这种上下文切换时比较耗时的。

这性能的问题就有点大了。

然后微内核设计没那么简单，想要灵巧、减少耦合、提高可移植性就需要好好的设计，按照林纳斯的话来说：“如果 GNU 内核(微内核架构)早在去年春天完成了，我压根不会开始我的项目(Lniux)。”

GNU Hurd 采用微内核架构，设计过于精巧，研发速度缓慢，性能长期无法提升。

当年林纳斯还和 Minix 的作者安德鲁，对操作系统的宏内核和微内核的好坏进行了一波网络口水战。

我们来回顾一下那段历史，挺有意思的。

因为 AT&T 把 Unix 商业化了，大学不能免费使用 Unix，身为大学教授的安德鲁为了教学自己搞了个操作系统，即 Minix。

安德鲁

当时的学术风潮是微内核架构，把核心功能模块化，划分为几个独立的进程，运行在不同的地址空间提高了代码的可移植和系统的安全性。

所以 Minix 就是按微内核架构编写的，当然还有上述提到的 GNU Hurd。

而林纳斯那时候读大学，他祖父送了他一台 Intel 80386，林纳斯也看到了安德鲁的教科书，根据书上的内容写出了 Linux。

林纳斯

不过没有按照微内核的设计，而是跟 Unix 一样采用了宏内核架构。

安德鲁教授看到了 Linux ，然后在 comp.os.Minix 上批评道：宏内核的设计是有害的。

Linux 内核耦合度太高，完全是为了 Intel 80386 而设计的，处理器架构进化很快的，操作系统应该都具备可移植性。

安德鲁还提到：都1991年了还用宏内核来设计操作系统，这是一种巨大的退步。

林纳斯在一天之后进行了反击，他说 Minix 设计上有缺陷，从哲学和美学角度来看微内核确实好，但是你看 GUN Hurd 到现在还没开发出来。

然后操作系统本来就依靠硬件的特性，所以内核本身不需要过度具备可移植性，应用程序的可移植性才重要，Linux 比 Minix 好移植多了。

而且 Linux 本来就是为我自己做的，所以契合 80386，如果要移植到别的平台，代码都是开源的(Minix 源码当时得买)，想要的人自己做咯。

安德鲁也做了一波回应：Minix 有局限性是因为我是教授，因为大部分学生都只能在低配的机器上使用，所以系统的硬件需求得足够低，虽然你 Linux 是免费的，但是需要的硬件贵呀。

其实可以看到，两者并没有对宏内核和微内核的技术细节的进行深入探讨，而是抓住对方的：你这 Minix 代码还要收费，你这 Linux 需要的硬件这么贵来进行“攻击”，所以称之为口水战。

反正口水战之后双方都没有改变各自的设计，不过林纳斯有引进微内核的思想来改进代码，也改善了可移植性。

微内核市面上设计成功的有 QNX，黑莓手机就是用这个操作系统，车用市场也几乎都用 QNX 系统。

黑莓手机

这手机很多年前我用过，当时觉得有点东西的。

宏内核的话就提个 Linux ，足够了。

两个架构都有成功的产品，所以还是取舍的问题，也没有谁完全压着谁。

再具体的就不深入了，今天的主角其实是广义上的微内核。

Dubbo 中的微内核

Dubbo 的微内核是广义上的，它的思想是：核心系统+插件。

这个微内核说白了就是把不变的功能抽象出来称为核心，把变动的功能作为插件来扩展，符合开闭原则，更容易扩展、维护。

小霸王游戏机大家都应该玩过，就长这样的，它的设计就可以认为是个微内核设计。

机体本身作为核心系统，游戏片就是插件。

我们想玩哪个游戏就插哪个游戏片，简单便捷，不影响机体本身。

假设不把游戏片抽象成插件式，那是不是就难搞了？换个游戏就成为难题了。

所以微内核架构的本质就是将变化的部分抽象成插件，使得可以快速简便地满足各种需求又不影响整体的稳定性。

这就是微内核架构的精髓。

这里再扣个细节，较个真（就是我个人的一点想法）。

Mark Richards 在 《Software Architecture Patterns》的微内核章节里面提到

The core system of the microkernel architecture pattern traditionally contains only the minimal functionality required to make the system operational.

从字面意义来看，Mark 认为核心系统指的是可以独立运行且提供基本功能的最小模块。

例如 vscode、idea、chrome 等设计就符合 Mark 认为的核心设计，核心系统提供基础必备的功能，可以独立运行。

像 vscode 核心就是编辑器，没有插件也可以独立运行，然后又有丰富的插件，来满足一些特殊需求，扩展核心系统的功能。

这里可能会让人产生误导，认为核心必须是能让系统运行的最小功能模块。

我认为核心不一定需要独立运行且提供基础功能，能让系统运行的最小组织模块也是核心。

两个说法的差别在于：只有核心的话系统能否正常的运行。

vscode 没有插件照样能运行，能提供基本功能，而小霸王游戏机没有游戏片那运行个寂寞，玩个球。

但是小霸王这种难道就不算微内核了嘛？

就我个人而言，把变与不变区分出来，把变化封装成插件就称为微内核设计。

像 Dubbo 能支持很多协议、各种负载均衡的扩展、集群的扩展等等，它自身的一些功能也是通过扩展点实现的，没有插件也跑不了。

这样的内核就像胶水，把各个插件结合起来最终提供服务，没有插件这个系统就没什么意义。

所以我认为核心系统不一定需要能独立运行，能让系统运行的最小组织模块也是核心。。

因此我觉得 Mark 说的不太准确，容易产生误导。

当然这是文字上面的抠细节，核心概念都是一致的：抽象出核心，剥离变化为插件。

微内核设计的好处

这里的微内核指的是广义的微内核。

作为一个框架或者软件，扩展性非常的重要。

因为一个框架、一个软件的使用者千千万，不同的人有不同的需求。

身为框架的维护者、软件的开发者你有精力和能力满足所有用户的需求？

做梦，不存在的。

有些 idea 你想都想不到。

比如我之前看到的 vscode 里面有个「坤坤鼓励师」插件，默认你代码写一小时之后蔡徐坤来给你跳鸡你太美，让你休息休息......

来感受一下？

所以做一个框架或者软件，想要让更多人使用，不仅自身提供的功能要全、性能要好、使用要简单，让用户 DIY，做各种定制化也非常的关键！

Dubbo 的成功其实就离不开它的微内核设计，定制化开发在很多场景都要用到，毕竟都得稍加改造一番来满足自己公司的一些特殊需求。

当然也不是什么都要微内核

微内核看起来是很方便，但是设计起来就不方便了。

需要精心的设计，抽象出各种扩展点。

除了本身的功能还需要管理插件的生命周期、插件如何连接、如何通信等。

有些还需要做沙箱隔离，防止插件污染整个系统等等，本来的内部函数调用变成了插件间的通信，反正设计起来是复杂了。

一般微内核适合用在框架的设计上，或者一些规则引擎的设计，只有复杂的会有很多变化的需求场景才需要用到微内核。

像一般简单的项目，本来就一条直道走到底的那种就算了，不要瞎操作，等下秀折了腿。

最后

微内核其实就是一种架构思想，可以是框架层面的，也可以细化到某个模块的设计。

归根结底就是把变化封装成插件，可插拔，拥抱变化。

当然今天也提到了操作系统的微内核，这个和广义上的微内核还是不太一样的。

巨人的肩膀

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

https://en.wikipedia.org/wiki/Tanenbaum%E2%80%93Torvalds_debate

《Software Architecture Patterns》

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