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  • 什么是内核
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    2018-04-06 12:15:40
    内核是操作系统的内部核心程序,它向外部提供了对计算机设备的核心管理调用。我们将操作系统的代码分成2部分。内核所在的地址空间称作内核空间。而在内核以外的统称为外部管理程序,它们大部分是对外围设备的管理和界面操作。外部管理程序与用户进程所占据的地址空间称为外部空间。通常,一个程序会跨越两个空间。当执行到内河空间的一段代码时,我们称程序处于内核态,而当程序执行到外部空间代码时,我们称程序处于用户态。    从UNIX起,人们开始用高级语言(UNIX上最具有代表性的就是UNIX的系统级语言C语言)编写内核代码,使得内核具有良好的扩展性。单一内核(monolithic kernel)是当时操作系统的主流,操作系统中所有的系统相关功能都被封装在内核中,它们与外部程序处于不同的内存地址空间中,并通过各种方式(在Intel IA-32体系中采用386保护模式)防止 外部程序直接访问内核结构。程序只有通过一套称作系统调用(system call)的界面访问内核结构。近些年来,微内核(micro kernel)结构逐渐流行起来,成为操作系统的主要潮流。1986年,Tanenbaum提出Mach kernel,而后,他的minix和GNU的Hurd操作系统更是微内核系统的典范。    在微内核结构中,操作系统的内核只需要提供最基本、最核心的一部分操作(比如创建和删除任务、内存管理、中断管理等)即可,而其他的管理程序(如文件系统、网络协议栈等)则尽可能的放在内核之外。这些外部程序可以独立运行,并对外部用户程序提供操作系统服务,服务之间使用进程间通信机制(IPC)进行交互,只在需要内核的协助时,才通过一套接口对内核发出调用请求。    微内核系统的优点时操作系统具有良好的灵活性。它使得操作系统内部结构简单清晰。程序代码的维护非常之方便。但是也有不足之处。微内核系统由于核心态只实现了最基本的系统操作,这样内核以外的外部程序之间由于独立运行使得系统难以进行良好的整体优化。另外,进程间互相通信的开销也较单一内核系统要大许多。从整体上看,在当前的硬件条件下,微内核在效率上的损失小于其在结构上获得的收益,故而选取微内核成为操作系统的一大潮流。    然而,Linux系统却恰恰使用了单一内核结构。这是由于Linux是一个实用主义的操作系统。Linux Tovarlds以代码执行效率为自己操作系统的第一要务,并没有进行过一个系统的设计工作,而是任由Linux在使用中不断发展。在这样的发展过程中,参与Linux开发的程序员大多为世界各地的黑客们。比起结构的清晰,他们更加注重功能的强大和高效的代码。于是,他们将大量的精力放在优化代码上,而这样的全局性优化必然以丧失结构精简为代价,导致Linux中的每个部件都不能轻易被拆除。否则必然破坏整体效率。    虽然Linux是单一内核体系,但是它与传统的单一内核UNIX操作系统不同。在普通的单一内核系统中,所有的内核代码都是被静态编译联入的,而在Linux中,可以动态装入和卸载内河中的部分代码。Linux将这些代码段称为模块。(module),并对模块给予了强有力的支持。在Linux中,可以在需要时自动装入和卸载模块。    Linux不支持用户态线程。在用户态中,Linux认为线程就是共享上下文(Context)的进程。Linux通过LWP(light weight thread)的机制来实现用户态线程的概念。通过系统调用clone()创建新的线程。    Linux的内核为非抢占式的。即,Linux不能通过改变优先权来影响内核当前的执行流程。因此,Linux在实现实时操作时就有问题。Linux并不是一个“硬”实时操作系统。    在Linux内核中,包括了进程管理(process management)、定时器(timer)、中断管理(interrupt management)、内存管理(memory management)
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    近年来,我国自主研发操作系统被反复提及。近期,一个计算机领域内非常专业的词来到了几乎所有人的视线内,这就是——微内核。人们对操作系统内核的讨论越来越热烈,甚至有人说我不懂什么叫微内核,什么是宏内核,接下来本文将带领大家了解操作系统内核架构,微内核与宏内核到底孰优孰劣?

     

    操作系统内核架构

    随着操作系统功能的不断增多和代码规模的不断扩大,提供合理的层级结构,对于降低操作系统复杂度、提升操作系统安全与可靠性来说变得尤为重要。图1列举了一些常见的操作系统内核架构。下面我们对这些结构进行简要的分析。

    图1 操作系统内核架构的频谱:简要结构(如DOS)、宏内核(如UNIX/Linux)、

    微内核、外核与多内核等

    1.1 简要结构

    一些功能较为简单的操作系统,会选择将应用程序与操作系统放置在同一个地址空间(addressspace)中,无须底层硬件提供复杂的内存管理、特权级隔离等功能。MS-DOS(MicroSoft Disk Operating System)是采用了简要结构的一个典型例子。该结构的一个优势在于,应用程序对操作系统服务的调用可直接通过函数调用高效完成,但缺点也同样明显,任何一个应用或操作系统模块出现了问题,均有可能使整个系统崩溃。随着操作系统功能的不断增加,简要结构会使操作系统的设计与实现难度越来越高,难以持续演进。

    尽管缺乏隔离能力,简要结构的操作系统依然采用了一定的模块化与层次结构以降低复杂度。图2展示了MS-DOS的内部结构:MSDOS.Sys模块通过命令行接口与用户交互,并负责与设备驱动交互以实现对硬件设备的管理;I/O子系统(IO.Sys)实现对硬件设备I/O访问的管理,并以I/O请求作为抽象为MSDOS.Sys和设备驱动I/O提供服务。

    图2  MS-DOS的系统结构

    除了MS-DOS外,当前采用简要结构的操作系统还包括FreeRTOS与uCOS等。这些操作系统主要运行在微控制单元(MicroController Unit,MCU)等相对比较简单的硬件上,这些硬件通常没有提供现代意义上的内存管理单元(MemoryManagement Unit,MMU),隔离能力较弱或缺失,难以运行(往往也不需要运行)复杂的操作系统。

     

    1.2 宏内核架构

    宏内核(Monolithic kernel)又称单内核,其特征是操作系统内核的所有模块(包括进程调度、内存管理、文件系统、设备驱动等)均运行在内核态,具备直接操作硬件的能力,这类操作系统包括UNIX/Linux、FreeBSD等。图3展示了一个典型的宏内核架构。在操作系统代码中,通常会有类似arch/arm/的目录,用于封装与体系结构相关的功能实现。

    图3 宏内核的基本结构

    由于操作系统内核的功能日趋复杂,宏内核架构的操作系统也逐步采用M.A.L.H方法对功能进行模块化、抽象、分层、层级等,以控制其不断增长的复杂度。下面是一些典型的方法。

    1.模块化:现代操作系统(如UNIX、Linux、Windows等)的内核均采用模块化的策略来组织各个功能。为进一步提高功能的可扩展性,现代操作系统通常还提供了可加载内核模块(Loadable Kernel Module,LKM)机制。例如,当前大部分设备驱动是以可加载模块的形式存在的,与内核其他模块解耦,使驱动开发与驱动加载更加方便、灵活。

    2.抽象:现代操作系统内核均广泛采用抽象的方法来降低复杂度并提高可维护性。例如,UNIX将文件作为一个重要的抽象,提出“一切皆是文件”(everythingis a file),将数据、设备、内核对象等均抽象为文件,并为上层应用提供统一的接口。

    3.分层:宏内核架构的操作系统一开始就采用了分层的架构。例如,图灵奖获得者EdsgerDijkstra在1968年提出的“THE”操作系统将操作系统分为6层,如图4所示。现代操作系统内核也均存在一定程度的分层结构,以更好地组织各种功能。图5展示了Linux文件系统的分层结构。

    4.层级:层级的概念同样被广泛应用于内核的资源管理中,如调度子系统中对进程优先级的分类,控制组(cgroup)对进程层级的分类,内存分配器对不同内存的分类等。

     

            图4 “THE”操作系统的分层结构  

                

    图5 文件系统的分层结构

     

    通过各种复杂度控制方法,Linux已经演进为一个超过2800万行代码的复杂系统,成为世界上最大的开源协作项目,每年有超过1800人为Linux提交补丁来修复问题以及添加新功能。然而Linux同样面临挑战:一个通用的、适用于大部分场景的设计,常常意味着很难满足特定场景下对安全性、可靠性、实时性等方面的需求;同时,在一个庞大的系统中进行创新也变得越来越困难,这使得一些较大的创新(如网络、文件系统、设备驱动等)开始往用户态迁移。

     

    1.3 微内核架构

    随着宏内核操作系统的内核功能不断增长,系统的复杂度也持续增加,在可靠性、安全性等方面导致了更多的问题。这是因为在宏内核架构下,所有内核模块均运行在特权空间,一个单点的错误就可能会导致整个系统崩溃或者被攻破。哪怕是具有极强编程能力的操作系统内核程序员编写的内核系统也很难避免bug。在Andrew Tanenbaum等人的论文中提到,在一般的工业界系统中每千行代码大约会有6~16个缺陷。虽然很多缺陷在正常运行时不会被触发,部分缺陷即使被触发也不会引起显著后果,但对于一个千万行代码级的软件而言,潜在的缺陷数量也是触目惊心的。

    因此,研究人员尝试对宏内核架构的操作系统进行解耦,将单个功能或模块(如文件系统、设备驱动等)从内核中拆分出来,作为一个独立的服务部署到独立的运行环境中;内核仅保留极少的功能,为这些服务提供通信等基础能力,使其能够互相协作以完成操作系统所必需的功能。这种架构被称为微内核(Microkernel。在微内核架构下,服务与服务之间是完全隔离的,单个服务即使出现故障或受到安全攻击,也不会直接导致整个操作系统崩溃或被攻破,从而能有效提高操作系统的可靠性与安全性。此外,微内核架构带来了机制与策略的进一步分离,也可以更方便地为不同场景定制不同的服务,从而更好地适应不用的应用需求。

     

     

    Tips

    小知识:最早的微内核操作系统

    一些读者可能认为微内核架构是一个比较新的设计。事实上,早在1969年,UNIX系统开始设计的时候,类似微内核架构的操作系统就已经出现。Per Brinch Hansen开发的RC 4000多路编程系统在历史上第一次将操作系统的组件分离为各个相互交互的功能组件,以及一个负责消息通信的内核。Per Brinch Hansen在RC 4000中也首次提出了分离机制与策略的原则,以及管程(Monitor)这个概念。

    微内核的发展到目前为止经历了三代。Mach是第一代微内核的代表。1975年,Mach起源于罗彻斯特大学,后来主要在卡内基梅隆大学开发。Mach将很多内核功能以单独服务的形式运行在用户态;然而,Mach对进程间通信(Inter-ProcessCommunication,IPC)的设计过于通用,加上Mach微内核自身资源(包括内存与CPU缓存等)占用过大的问题,使得其性能与同时期的宏内核相比存在差距,甚至有人据此将微内核与性能差关联起来。

    微内核的性能一定差吗?德国国家信息技术研究中心的JochenLiedtke深入分析了Mach微内核系统的性能,指出较差的性能不是微内核的必然结果。Jochen认为,高性能IPC的设计与实现必然是与体系结构相关的,过度抽象将极大影响IPC的性能,而利用体系结构相关的状态进行优化则可将IPC性能提升到极致。为此,Jochen Liedtke设计并实现了L4微内核系统,并提出了微内核的最小化原则:一个操作系统内核的功能只有在将其放在内核态以外会影响整个系统的功能时,才能被放置在内核态。通过高性能的IPC实现以及极小化的微核(即微内核系统的内核态部分,又称祂ernel),微内核架构操作系统的性能可以达到甚至超过同时期的宏内核架构操作系统。L4被认为是第二代微内核操作系统的代表。

    随着L4等微内核操作系统在实时、高安全等场景的广泛应用,研究人员开始对微内核的安全性进行进一步的增强。EROS首次将能力(Capability机制引入微内核操作系统中,并高效地实现了该机制(关于Capability机制详见《现代操作系统:原理与实现》 16.2.6节)。Capability机制允许更精确、更细粒度地给不同应用程序授予对内核对象的调用权,从而能更好地提升系统安全性。seL410-11是一个典型的基于Capability机制的微内核;谷歌正在实现的Fushcia微内核操作系统同样基于Capability机制实现了访问控制。此外,seL4还引入了形式化证明方法(详见第18章),通过数学的方式证明了其微核部分满足从设计到实现的一致性,以及微核上的服务具有互不干扰(non-interference)等属性。这些安全增强能力成为第三代微内核架构操作系统的重要特征。

     

    宏内核vs.微内核

    自宏内核与微内核这两种操作系统架构出现伊始,人们就两者的优劣与特点展开了多次深入的讨论。当前,随着一些新场景、新诉求的出现,使类似微内核架构的操作系统架构再次受到关注。

    1.弹性扩展能力:对于一个宏内核来说,很难仅仅通过简单的裁剪或扩展,使其支持资源诉求从KB到TB级别的场景。

    2.硬件异构性:异构硬件往往需要一些定制化的方式来解决特定问题,这种定制化对于宏内核来说很难得到长期的支持。

    3.功能安全:由于宏内核在故障隔离和时延控制等方面的缺陷,截至目前尚无通过高等级功能安全认证(例如,汽车行业的ASIL-D)的先例。

    4.信息安全:宏内核架构的操作系统存在较大的信息安全隐患,例如内核态驱动容易导致低质量的驱动代码入侵内核,粗粒度权限管理容易带来权限漏洞等。

    5.确定性时延:由于宏内核架构资源隔离较为困难,且各模块耦合度高导致难以控制系统调用的时延,因此较难做到确定性时延;即便为时延做一些特定优化(例如Linux-RT补丁),时延抖动仍然较大。

    在真实世界中,正如体系结构领域的RISC与CISC之争一样,宏内核与微内核往往会互相借鉴。例如,Intel处理器采用了CISC的指令集架构,但其微架构实现则采用了RISC架构;类似地,Linux等宏内核架构操作系统也采用了一些微内核的设计思想。例如,尽管Linux的创始人Linus Torvalds在20世纪90年代与AndrewTanenbaum论战时表明将驱动放到用户态是个不靠谱的想法,但近期Linux也逐步采用了一些用户态驱动模型(如UIO与VFIO等);Android操作系统在Treble项目中同样将部分驱动放到了用户态,并通过名为Binder的IPC机制来与这些驱动进行交互。

     

    Tips

    小思考:小的操作系统内核就是微内核吗?

    不是。有一些操作系统内核(如FreeRTOS、uCOS-II等)虽然很小,但是不具备现代意义上的操作系统功能,包括虚拟内存、用户态和内核态分离等。因此它们应该被归为本章提到的简要结构内核。

     

    软件是计算系统的“灵魂”,而操作系统则是软件运行和支撑技术的核心,“CPU+操作系统”更是成为信息产业生态的核心、信息时代安全的基石。自1956年第一个实用操作系统诞生以来,操作系统已历经60多年的发展。它一方面是伴随以CPU为代表的硬件及其组成结构的发展,另一方面是为了支持多机、分布和网络环境,以及满足新型计算模式和新型应用的需求。迄今,以20年左右为周期,操作系统已出现从主机计算时代到个人计算时代,再到移动计算时代的两次重大变迁,每次变迁均涉及计算设备及其用户两方面的数量级的跃升,同时诞生了新的“CPU+操作系统”生态。当然,从技术本质看,操作系统“向下管理各种计算资源,向上为应用程序提供运行环境和开发支撑,为用户提供交互界面”的角色定位未变。

    当前,万物互联、人机物融合计算的泛在计算时代正在开启。以云计算、大数据、人工智能和物联网等为代表的新型应用场景,多种不同架构的CPU、GPU和加速器与以新型存储、传感设备等为代表的新型硬件,以及嵌入式、移动计算、边缘计算、云计算等不同规模的计算系统,使得操作系统的内涵和外延均发生了重大变化,新一轮的重大变迁正在孕育中。支撑泛在计算的“泛在操作系统”将成为新的操作系统形态,并催生新的“CPU+操作系统”生态。这一轮变迁将促进新的操作系统研究与实践,在带来新机遇的同时,也会产生新的挑战和更激烈的竞争。

    本文摘编自《现代操作系统:原理与实现》一书。

    作者:陈海波 夏虞斌 等

    陈海波作品,结合前沿研究与工业界实践

    面向真实场景与真实问题

    全新打造ChcCore微内核系列课程实验

    建立对操作系统的第一手实践经验

     

    操作系统和系统安全领域国际知名学者、上海交通大学陈海波、夏虞斌领衔撰写。由浅入深介绍现代操作系统经典理论与方法。本书以三个“面向”为导向,即面向经典基础理论与方法,面向国际前沿研究,面向工业界实践,深入浅出地介绍操作系统的理论、架构、设计方法与具体实现。本书是首本以ARM64为主体介绍操作系统的教材,将学术前沿与工业实践充分结合,不仅介绍了现有的Linux宏内核操作系统架构,而且介绍了微内核、外核等操作系统架构。


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  • 1.什么是内核 用户操作的界面是操作系统的外在表象,内核才是操作系统的内在核心。系统其它部分 必须依靠内核这部分软件提供的服务,像管理硬件设备、分配系统资源等。 通常内核由负责响应中断服务程序、负责管理...

    【本文内容参考自Linux内核设计与实现,仅作笔记】

    一、内核介绍
    1.什么是内核

    	用户操作的界面是操作系统的外在表象,内核才是操作系统的内在核心。系统其它部分
    必须依靠内核这部分软件提供的服务,像管理硬件设备、分配系统资源等。
    	通常内核由负责响应中断服务程序、负责管理多个进程从而分享处理时间的调度程序、
    负责管理进程地址空间的内存管理程序和网络、进程间通信等系统服务程序共同组成。
    	对于提供保护机制的现代系统来说,内核独立于普通应用程序,它一般处于系统态,
    拥有受保护的内存空间和访问硬件设备的所有权限。这种系统态和被保护起来的内存空间,称为
    内核空间。
    

    2.内核的运行相关

    	当硬件设备想要和系统通信的时候,它首先要发出一个异步的中断信号去打断处理器的执行,
    继而打断内核的执行。中断通常对应着一个中断号,内核通过这个中断号查找对应的中断服务程序,
    并调用这个程序响应和处理中断。许多操作系统的中断服务程序,包括linux,都不在进程上下文中执行。
    它们在与一个所有进程都无关的、专门的中断上下文中运行。
    【注】这样做是为了保证中断服务程序能够在第一时间响应和处理中断请求,然后快速的退出。
    

    在这里插入图片描述
    三种运行状态

    ·运行于用户空间,执行用户进程。
    ·运行于内核空间,处于进程上下文,代表某个特定的进程执行。
    ·运行于内核空间,处于中断上下文,与任何进程无关处理某个特定的中断
    
    【注】当cpu空闲时,内核就运行一个空进程,处于进程上下文,但运行于内核空间。
    

    二、内核分类
    操作系统可以分为俩大阵营:单内核和微内核(第三阵营外内核,主要用于科研系统中)。

    1.单内核

    	1980年前,所有的内核都设计成单内核。所谓单内核就是把它从整体上作为一个单独的大过程来实现,
    同时运行在一个单独的地址空间上。
    	因此,这样的内核通常以单个静态二进制文件的形式存放于磁盘中。所有内核服务
    都在这样的一个大内核地址空间上运行。内核之间的通信是微不足道的,因为都运行在内核,态,
    并身处于同一地址空间:内核直接调用函数,与用户空间的应用程序没什么区别。
    
    特点:简单、性能高
    

    2.微内核

    	微内核没有作为一个单独的大过程来处理去实习。相反微内核被划分为多个独立的过程,
    每个过程叫做一个服务器。理想情况下,只有强烈请求特权的服务器才运行在特权模式下,
    其它服务器运行在用户空间。不过,所有的服务器都保持独立运行在各自的地址空间上。
    因此,不能像单模块那样直接调用函数,而是通过消息传递处理微内核通信:系统通信采用了进程间通信(IPC)机制,
    因此,各个服务器之间通过IPC机制互通消息,互换“服务”。服务器各自独立有效地避免了一个服务器的失效
    祸及另一个。同样,模块化的系统允许一个服务器为了另一个服务器而换出。
    【注】目前Windows NT内核(WindowsXP、Windows Vista和Windows7等不让任何微内核服务器运行在用户空间)
    	Linux是一个单内核,Linux内核运行在单独的内核地址空间上。
    
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  • 用户态和内核态的区别是,内核态运行操作系统程序,操作硬件,用户态运行用户程序;...操作系统需要两种CPU状态内核态(Kernel Mode):运行操作系统程序,操作硬件用户态(User Mode):运行用户程序2.指...

    用户态和内核态的区别是,内核态运行操作系统程序,操作硬件,用户态运行用户程序;当程序运行在3级特权级上时,可以称之为运行在用户态,当程序运行在0级特权级上时,称之为运行在内核态。

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    本文操作环境:windows10系统、thinkpad t490电脑。

    区别分析如下:

    1.操作系统需要两种CPU状态

    内核态(Kernel Mode):运行操作系统程序,操作硬件

    用户态(User Mode):运行用户程序

    2.指令划分

    特权指令:只能由操作系统使用、用户程序不能使用的指令。 举例:启动I/O 内存清零 修改程序状态字 设置时钟 允许/禁止终端 停机

    非特权指令:用户程序可以使用的指令。 举例:控制转移 算数运算 取数指令 访管指令(使用户程序从用户态陷入内核态)

    3.特权级别

    特权环:R0、R1、R2和R3

    R0相当于内核态,R3相当于用户态;

    不同级别能够运行不同的指令集合;

    4.CPU状态之间的转换

    用户态--->内核态:唯一途径是通过中断、异常、陷入机制(访管指令)

    内核态--->用户态:设置程序状态字PSW

    5.内核态与用户态的区别

    内核态与用户态是操作系统的两种运行级别,当程序运行在3级特权级上时,就可以称之为运行在用户态。因为这是最低特权级,是普通的用户进程运行的特权级,大部分用户直接面对的程序都是运行在用户态;

    当程序运行在0级特权级上时,就可以称之为运行在内核态。

    运行在用户态下的程序不能直接访问操作系统内核数据结构和程序。当我们在系统中执行一个程序时,大部分时间是运行在用户态下的,在其需要操作系统帮助完成某些它没有权力和能力完成的工作时就会切换到内核态(比如操作硬件)。

    这两种状态的主要差别是

    处于用户态执行时,进程所能访问的内存空间和对象受到限制,其所处于占有的处理器是可被抢占的处于内核态执行时,则能访问所有的内存空间和对象,且所占有的处理器是不允许被抢占的。

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    千次阅读 2020-05-26 20:00:59
    内核内核内核只需要2次变态 微内核需要6次变态 ...故频繁的切换cpu状态的话会降低性能 优缺点: 大内核: 高性能 内核代码大,结果混乱,难以维护 微内核 内核功能少,结构清晰,方便管理,更加稳定 性能低 ...
  • 为了支撑系统上层运行,这一版的内核包含了大量 4.3 版本的 BSD 系统(UNIX的一个分支)代码提供系统服务,并且 BSD 系统服务运行在内核状态,这导致 Mach 内核的代码体积甚至大于常规 UNIX 内核。 第一版和第二...
  • 内核级线程

    2022-03-20 17:01:38
    由于Linux0.11中并未实现线程,因此本文主要以理论分析为主来介绍内核级线程。文中主要介绍了内核级线程的栈结构——“一套栈”,以及内核级线程的切换过程——“切换五段论”。
  • 一文看懂Linux内核!Linux内核架构和工作原理详解

    千次阅读 多人点赞 2021-01-29 15:14:27
    linux内核相关视频解析: 5个方面分析linux内核架构,让你对内核不再陌生 90分钟了解Linux内存架构,numa的优势,slab的实现,vmalloc的原理 手把手带你实现一个Linux内核文件系统 简介 作用是将应用层序的请求传递...
  • 新版Linux操作系统将采用“tickless”的内核,使处理器能够在低能耗状态下运行。tickless内核仍然会记录时间,但采用了不同的方式。不再频繁地检查是否有工作需要完成,当知道有工作需要完成后,内核会调度硬件发出...

空空如也

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内核是什么状态