来谈谈 Mac OS X 内核

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作者 Joy___
2016.12.08 23:27 字数 1762

原文:来谈谈 Mac OS X 内核

现在,我们所知道的操作系统中,都有一个关键的核心组件,叫做内核(kernel)。内核能够充分利用底层 CPU 提供的所有特性和能力,为客户提供各种各样的服务。

那么,内核到底为我们做了什么呢?

  • 内核为我们应用程序开发者,做了层次的抽象,我们不需要过多考虑设备访问、文件读写,我们可以使用内核提供的一套 API 很快速的完成想要的功能
  • 现在操作系统都是多任务抢占式的操作系统,程序的数目可以远多于处理器(核心)的数目,内核会判定哪一个程序运行在哪一个处理器上
  • 程序会访问共享设备(显示器、网络适配器等),内核提供安全的调度方式,来规避冲突和瓶颈
  • 内核也提供安全服务,对各种权限做验证

内核架构

1.单内核

单内核,也叫宏内核,将所有的内核功能都放到一个地址空间中,线程调度和内存管理,以及文件系统、安全管理、设备驱动等都放在一起。

所有内核功能都实现在同一个地址空间中,宏内核只需要函数调用就可以完成各个功能的协调合作,具有简洁、性能好的特点。


2.微内核

微内核,只包含最核心的功能,通常包括任务调度和内存管理,其他功能都交给用户态的服务程序。所有这些服务,都被分解到不同的地址空间里,因此,不能够像单内核那样直接的函数调用,微内核各个服务程序之间需要通过消息传递(IPC)来进行通信。

微内核的进程通信需要内存复制、上下文切换等操作,同时消息传递也存在一些延迟,所以微内核的性能不及单内核。但是,微内核的拥护者,一直以微内核的灵活性、稳定性而骄傲。

3.混合内核

混合内核想要结合以上两种内核的好处,最核心的底层服务,包括调度、进程通信和虚拟内存,和微内核一样,包含在最核心的位置,对于这个核心之外的服务,也是在内核态的,同时和这个核心在同一内存空间中。

我们 Mac OS X 系统的内核就是混合内核,我们叫它 XNUXNU的核心是 Mach,同时在 Mach之上建立了一个BSD层 ,他们都在同一地址空间中,和单内核一样具有较高的运行效率。




注:XNU也有消息传递,但是消息以指针的形式传递,不需要昂贵的复制操作,所以与单内核一样具有高效率。

XNU-Mach

Mach 和 BSD 都有自己职责的分工,那么先说 Mach 都有那些核心的职责

  • 进程和线程管理:我们平时所用到的 POSIX 线程和 NSThread 都是和 Mach 层线程一一对应的,POSIX 线程是BSD 层对 线程的更高层次抽象
  • 虚拟内存的分配和管理
  • CPU 等物理设备的分配和调度
  • 异常:Mach 在已有的消息传递机制上实现了一种异常处理机制,下面会仔细介绍作为应用层面的开发者,如何来做 Mach 异常捕获,可以利用这个做一些 crash 信息的收集工作,其他 crash 收集文章可以参考这里

如果想要做mach 异常捕获,需要注册一个异常端口,这个异常端口会对当前任务的所有线程有效,如果想要针对单个线程,可以通过 thread_set_exception_ports注册自己的异常端口,发生异常时,首先会将异常抛给线程的异常端口,然后尝试抛给任务的异常端口,当我们捕获异常时,就可以做一些自己的工作,比如,当前堆栈收集等。

对于如何注册一个异常端口,这里有一个示意图和 相关代码 可以参考


XNU-BSD

Mach 层的服务不足以支撑整个完整的操作系统,在Mach 之上,又建立了一个 BSD 层,BSD 提供了更丰富的功能

  • 进程和线程更多特性:BSD 层的 进程和线程比 Mach 层包含更多的信息,支持更多的特性,Mach 层的进程和线程并不能满足操作系统的高级需求,通过BSD 层 XNU 提供了更为丰富且标准化的 API
  • 网络协议栈
  • 文件系统:在 OS X 中可执行文件格式为 Mach-O,对于 Mach-O 的初级理解,可以先了解下 趣探 Mach-O:文件格式
  • 设备访问

libkern + I/O Kit

libkern 是一个自包含的 C++ 类库,为 C++ 运行时提供支持和基础类。I/O Kit 是一个 C++ 编写的设备程序驱动框架,让开发者可以快速的创建稳定优雅的设备驱动程序。

OS X 与 iOS 区别

OS X 与 iOS 大致上保持一致,但是也有些区别

  • iOS 上内存管理使用 jetsam 机制,一个基于优先级队列的机制,优先级由低到高是:IDLE(空闲)->BACKGROUND->FOREGROUND,依次类推。当内存过低的时候,就会在队列中进行广播,希望大家尽量释放内存,如果一段时间后,仍然内存不够,就会开始Kill进程,直到内存够用。但是OS X上使用的是Swap机制,利用内存和磁盘的交换来协调进程间内存使用。
  • 沙盒化,所有通过app store分发的程序都会有沙盒化这一机制, OS X 可以通过多种渠道下载软件,但是 iOS 只能通过app store 下载, iOS 上所有软件必须都支持沙盒化。
  • entitlement:是一个 plist 文件,里面列举了可以获得的授权,会由苹果进行数字签名。entitlement是用来赋予你某种权限,apple 可以通过entitlement来赋予开发者更多的权限。
  • encrypted image :程序 image 加密功能

参考资料

  • 代码签名探析
  • Mac OS X and iOS Internals: To Apple Core
  • iDev 开发者大会 - 李亮
iOS Develop