内核 Kernels – 操作系统的心脏

任何在操作系统中使用技术的人都在使用内核，尽管经常没有意识到这一点。 内核在每台计算机中组织进程和数据，它是操作系统的核心和软硬件之间的接口。 这意味着内核一直在使用，并且是操作系统的关键组件。

内核不仅是系统的核心，也是控制所有处理器和内存访问的程序。 它负责最重要的驱动程序并可以直接访问硬件。 它是硬件和软件之间交互的基础，并尽可能有效地管理它们的资源。下面大眼仔旭就带领大家一起了解什么是内核（Kernels ）。

什么是内核？

内核是操作系统的核心，控制着硬件的所有重要功能：Linux、macOS 和 Windows、智能手机、服务器和虚拟化（如 KVM）以及所有其他类型的计算机都是如此。

内核的结构

内核始终以相同的方式构建，并由多个层组成：
1、最深层是与硬件（处理器、内存和设备）的接口，例如管理网络控制器和 PCI Express 控制器。
2、最重要的是内存管理，这需要分配内存，包括虚拟主内存。
3、然后是进程管理（调度程序），它负责时间管理并使多任务处理成为可能。
4、下一层包含设备管理。
5、最高层是文件系统。 这就是将进程分配给内存或硬盘驱动器的地方。

进程

内核是所有层的核心，从系统硬件到应用软件。 它的工作在用户访问开始的地方结束：在图形用户界面 (GUI)。 因此，内核与外壳（即用户界面）相邻。 您可以将内核想象为种子或核，将壳想象为核周围的果实。

什么是计算机程序中的内核？

在这种情况下，内核就像上校一样：它们都传递命令。 程序向内核发送“系统调用”，例如在写入文件时。 内核精通 CPU 的指令集，然后将系统调用转换为机器语言并将其转发给 CPU。 所有这一切通常发生在后台，用户不会注意到。

内核的任务是什么？

内核的主要任务是多任务。 这需要跟上时间限制并保持对其他应用程序和扩展的开放。

对于每个规则，在像操作系统这样精益、运行良好的系统中都有例外。 这就是为什么在涉及系统软件、库和应用软件时，内核只是充当中间人的原因。 在 Linux 中，图形界面独立于内核。

注意
在多用户系统中，内核还监视对文件和硬件组件的访问权限。 任务管理器在任何给定时间显示这些内容。 如果用户完成了一个进程，任务管理器会向内核提供停止进程并释放用于它的内存的指令。

当计算机启动时，内核是第一个加载到内存中的东西。 这发生在一个受保护的区域，即引导加载程序，因此内核不能被更改或删除。

之后，内核初始化连接的设备并启动第一个进程。 加载系统服务，启动或停止其他进程，启动用户程序和内存分配。

内核如何工作？

这个问题最好通过反击来回答：内核不是什么？ 内核不是处理器的核心，而是操作系统的核心。 内核也不是 API 或框架。

多内核操作系统可以使用多核处理器的各种内核，例如独立 CPU 的网络。 这是如何运作的？ 它归结为内核的特殊结构，它由一系列不同的组件组成：

由于内核的最低层是面向机器的，它可以直接与硬件、处理器和内存通信。 内核的功能在其五层之间有所不同，从处理器管理到设备管理。 最高层不能访问机器，而是负责与软件接口。
应用程序在操作系统中与内核分开运行，仅利用其功能。 没有内核，程序和硬件之间的通信将是不可能的。
由于多任务内核，多个进程可以同时运行。 但通常情况下，CPU 一次只能处理一个动作——除非您使用的是多核系统。 进程的快速变化给人以多任务处理的印象是由调度程序处理的。

从这些组件遵循内核的四个功能：

1、内存管理：调节不同地方使用的内存量。
2、进程管理：确定 CPU 可以使用哪些进程，以及它们使用的时间和时间。
3、设备驱动程序：硬件和进程之间的中介。
4、系统调用和安全：从进程接收服务请求。

如果实现得当，内核的功能对用户是不可见的。 内核在它自己的设置内核空间中工作。 另一方面，文件、程序、游戏、浏览器以及用户看到的一切都位于用户空间中。 这两者之间的交互使用系统调用接口（SCI）。

操作系统中的内核

要理解内核在操作系统中的作用，可以把计算机想象成三个层次：

1、硬件：系统的基础，由内存、处理器和输入输出设备组成。 CPU 对内存进行读写操作和计算。
2、内核：操作系统与 CPU 接触的核心。
3、用户进程：内核管理的所有正在运行的进程。 内核使进程和服务器之间的通信成为可能，也称为进程间通信 (IPC)。

系统中的代码有两种模式：内核模式和用户模式。内核模式下的代码可以无限制地访问硬件，而用户模式下的访问仅限于 SCI。如果用户模式出现错误，则不会发生太多事情。内核将进行干预并修复任何潜在的损坏。另一方面，内核崩溃会导致整个系统崩溃。但是，由于采取了适当的安全措施，这不太可能。

存在什么样的内核？

前面描述的一种内核是多任务内核，它描述了在一个内核上同时运行的多个进程。如果您为其添加访问管理，您将拥有一个多用户系统，多个用户可以同时在该系统上工作。内核负责身份验证，因为它可以分配或分离被调用的进程。

什么是开源内核？

Linux 在其内核上维护着一个综合档案。 Apple 已发布其所有操作系统的内核类型以供开源访问。 Microsoft 还为 Linux 的 Windows 子系统使用了 Linux 内核。

注意
很容易忘记不同的内核类型。 Linux 系统和 Android 设备使用 Linux 内核。 Windows 使用 NT 内核，各种子系统都利用它。 Apple 使用 XNU 内核。

三种类型的内核

有多种类型的内核可用于不同的操作系统和终端设备。它们可以分为三组：

单片内核：用于各种任务的大型内核。它负责内存和进程管理以及进程之间的通信，并提供驱动程序和硬件支持的功能。这是 Linux、OS X 和 Windows 等操作系统中的内核。
微内核：微内核特意做得很小，这样错误和崩溃就不会影响整个操作系统。为了确保它仍然可以实现与大型内核相同的功能，它被组织成几个模块。 OS X 组件 Mach 是唯一一个不错的例子，因为到目前为止还没有任何带有微内核的操作系统。
混合内核：微内核和单体的组合。大内核更紧凑，可以分解成模块。可以动态附加更多内核部分。它们部分被 Linux 和 OS X 使用。