23.操作系统与内核有什么区别?

通用底盘技术

Canoo公司有一项核心技术专利,这就是它们的通用电动底盘技术,长得是这个样子,非常像一个滑板:

23.操作系统与内核有什么区别? - 图1

这个带轮子、有电池、能动的滑板已经包含了一辆车最核心的组件,差的就是一个外壳。

这个看起来像滑板的东西就是所谓的电池系统和底盘一体化技术,Canoo公司在它们的通用底盘上加装不同的外壳就能制造出不同的车型。

什么是内核?

在上面这个示例中,包含轮子以及电池系统的底盘就好比内核,而套上外壳加上椅子以及内饰后的整体成品就好比操作系统

内核仅仅是操作系统的一部分,是真正与硬件交互的那部分软件,与硬件交互包括读写硬盘、读写网盘、读写内存以及任何连接到系统中的硬件。

除了与硬件交互外,内核还负责分配资源,分配什么资源呢?所谓资源就是硬件,比如CPU时间、内存、IO等等,这些都是资源。

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现在我们知道了内核负责分配资源,那么问题来了,要怎么分配这些资源呢?答案就是以进程的形式来分配资源。

怎么分配呢?

一句话:虚拟大法好

每个进程都认为自己在独占CPU,这通过CPU时间片来实现,内核让CPU在各个进程之间快速切换,这样程序员写好程序员后直接运行即可,即使在单核系统中运行成百上千个进程都没有问题。

每个进程都认为自己在独占内存,这通过虚拟内存来实现。

有的同学可能会问,为什么都要虚拟化呢?

答案显而易见,因为计算机系统内的资源是有限的,我们只有几个CPU核心、几个G的内存,但却要同时运行几百几千个进程,除此之外我们别无它法。

如果你还知道有其它更高效的方法那么赶紧放下手机,马上将你的思想写成论文发表出来,下一届的图灵奖非你莫属,当然在发表获奖感言的时候一定要记得表示是受到了【码农的荒岛求生】这个公众号的启发才想到的。

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因此,内核的职责就是以进程的形式来分配CPU时间,以虚拟内存的形式来分配物理内存,以文件的形式来管理IO设备。

什么是操作系统?

然而只有一个内核实际上是做不了什么真正有用的事情,就像上面示例中那个通用底盘一样,这个底盘确实能跑起来,但你没办法开着这样一个底盘出去浪,因为这个底盘很难用。

因此,你不得不加装上方向盘、座椅以及车身外壳等,同样的道理,内核是给人用的,为了与内核交互,发明了命令行以及图形界面GUI。

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除了给普通用户提供使用的接口之外,操作系统还需要给程序员提供编写程序的接口,当我们写的程序依赖内核提供的服务时是该怎么办呢?

有的同学说我们需要依赖内核提供的服务吗?

想一想,进行网络编程时你有没有自己编写过处理TCP/IP协议栈数据的代码?你有没有自己写代码从网卡上收发数据?都没有,实际上你需要做的仅仅是简单的调用一些socket接口就可以了。

网络编程仅仅是其中的一项,其它还包括文件IO、创建进程、创建线程等等等等,这些是内核提供的,那么我们该怎么使用呢?

答案就是通过所谓的系统调用,system call。

通过系统调用,我们可以像使用普通函数那样向操作系统请求服务,当然,直接使用系统调用是非常繁琐的,因此通常会在这之上提供一层封装

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在Windows平台就是给程序员提供编程接口的是Windows API,这层API包罗万象,不但包括上文提到对系统调用的封装,还包括其它功能,像创建带有图形界面的应用程序等等。

但在Linux世界你找不到一种类似Windows API的东西,毕竟Windows是微软自家产品,什么都可以打包起来,Linux只是一个开源的内核,如果一定要找一个类似的东西话那就是libc,也就是C标准库,这里同样包括了对系统调用的封装以及一些库函数,但libc不包含创建带有图形界面应用程序的 功能。

现在我们知道了,操作系统需要提供两种接口:

  • 给用户提供操作接口。
  • 给程序员提供编程接口。

这些就是好比汽车的外壳,我们(用户和程序员)看得见摸得着,外壳加上底盘——也就是内核,才是功能完善的操作系统。

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各种各样的操作系统

实际上我们熟悉的Linux只是内核而不能称得上是操作系统,Ubuntu则可以认为是操作系统,其内核是Linux;RedHat也是操作系统,其内核同样是Linux;我们可以看到,尽管Ubuntu和RedHat是不同的操作系统,但其内核可以是相同的。

这就好比它们可以基于同样的底盘打造出不同的车型。

而我们熟悉的Windows也是操作系统,其内核是Windows NT内核。

总结

内核就像本文开头提到的电动底盘,包含了一个汽车的最核心元素;但这样一个底盘并没有什么实际用处,当搭配上外壳以及座椅后才是一辆真正有用的车,这就好比操作系统。值得注意的是,不同的操作系统可以有相同的内核。

当我们在使用方便的智能手机以及个人PC时不应忘记,正是操作系统在背后的默默工作让一堆硬件电路变得这么好用。

希望这篇文章对大家理解操作系统以及内核有所帮助。