通用底盤技術(shù)

Canoo公司有一項(xiàng)核心技術(shù)專利，這就是它們的通用電動底盤技術(shù)，長得是這個(gè)樣子，非常像一個(gè)滑板：

這個(gè)帶輪子、有電池、能動的滑板已經(jīng)包含了一輛車最核心的組件，差的就是一個(gè)外殼。這個(gè)看起來像滑板的東西就是所謂的電池系統(tǒng)和底盤一體化技術(shù)，Canoo公司在它們的通用底盤上加裝不同的外殼就能制造出不同的車型。

什么是內(nèi)核？

在上面這個(gè)示例中，包含輪子以及電池系統(tǒng)的底盤就好比內(nèi)核，而套上外殼加上椅子以及內(nèi)飾后的整體成品就好比操作系統(tǒng)。內(nèi)核僅僅是操作系統(tǒng)的一部分，是真正與硬件交互的那部分軟件，與硬件交互包括讀寫硬盤、讀寫網(wǎng)盤、讀寫內(nèi)存以及任何連接到系統(tǒng)中的硬件。除了與硬件交互外，內(nèi)核還負(fù)責(zé)分配資源，分配什么資源呢？所謂資源就是硬件，比如CPU時(shí)間、內(nèi)存、IO等等，這些都是資源。

現(xiàn)在我們知道了內(nèi)核負(fù)責(zé)分配資源，那么問題來了，要怎么分配這些資源呢？答案就是以進(jìn)程的形式來分配資源。怎么分配呢？一句話：虛擬大法好。每個(gè)進(jìn)程都認(rèn)為自己在獨(dú)占CPU，這通過CPU時(shí)間片來實(shí)現(xiàn)，內(nèi)核讓CPU在各個(gè)進(jìn)程之間快速切換，這樣程序員寫好程序員后直接運(yùn)行即可，即使在單核系統(tǒng)中運(yùn)行成百上千個(gè)進(jìn)程都沒有問題。每個(gè)進(jìn)程都認(rèn)為自己在獨(dú)占內(nèi)存，這通過虛擬內(nèi)存來實(shí)現(xiàn)。有的同學(xué)可能會問，為什么都要虛擬化呢？答案顯而易見，因?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的資源是有限的，我們只有幾個(gè)CPU核心、幾個(gè)G的內(nèi)存，但卻要同時(shí)運(yùn)行幾百幾千個(gè)進(jìn)程，除此之外我們別無它法。如果你還知道有其它更高效的方法那么趕緊放下手機(jī)，馬上將你的思想寫成論文發(fā)表出來，下一屆的圖靈獎(jiǎng)非你莫屬。

因此，內(nèi)核的職責(zé)就是以進(jìn)程的形式來分配CPU時(shí)間，以虛擬內(nèi)存的形式來分配物理內(nèi)存，以文件的形式來管理IO設(shè)備。

什么是操作系統(tǒng)？

然而只有一個(gè)內(nèi)核實(shí)際上是做不了什么真正有用的事情，就像上面示例中那個(gè)通用底盤一樣，這個(gè)底盤確實(shí)能跑起來，但你沒辦法開著這樣一個(gè)底盤出去浪，因?yàn)檫@個(gè)底盤很難用。因此，你不得不加裝上方向盤、座椅以及車身外殼等，同樣的道理，內(nèi)核是給人用的，為了與內(nèi)核交互，發(fā)明了命令行以及圖形界面GUI。

除了給普通用戶提供使用的接口之外，操作系統(tǒng)還需要給程序員提供編寫程序的接口，當(dāng)我們寫的程序依賴內(nèi)核提供的服務(wù)時(shí)是該怎么辦呢？有的同學(xué)說我們需要依賴內(nèi)核提供的服務(wù)嗎？想一想，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程時(shí)你有沒有自己編寫過處理TCP/IP協(xié)議棧數(shù)據(jù)的代碼？你有沒有自己寫代碼從網(wǎng)卡上收發(fā)數(shù)據(jù)？都沒有，實(shí)際上你需要做的僅僅是簡單的調(diào)用一些socket接口就可以了。網(wǎng)絡(luò)編程僅僅是其中的一項(xiàng)，其它還包括文件IO、創(chuàng)建進(jìn)程、創(chuàng)建線程等等等等，這些是內(nèi)核提供的，那么我們該怎么使用呢？答案就是通過所謂的系統(tǒng)調(diào)用，system call。通過系統(tǒng)調(diào)用，我們可以像使用普通函數(shù)那樣向操作系統(tǒng)請求服務(wù)，當(dāng)然，直接使用系統(tǒng)調(diào)用是非常繁瑣的，因此通常會在這之上提供一層封裝。

在Windows平臺就是給程序員提供編程接口的是Windows API，這層API包羅萬象，不但包括上文提到對系統(tǒng)調(diào)用的封裝，還包括其它功能，像創(chuàng)建帶有圖形界面的應(yīng)用程序等等。但在Linux世界你找不到一種類似Windows API的東西，畢竟Windows是微軟自家產(chǎn)品，什么都可以打包起來，Linux只是一個(gè)開源的內(nèi)核，如果一定要找一個(gè)類似的東西話那就是libc，也就是C標(biāo)準(zhǔn)庫，這里同樣包括了對系統(tǒng)調(diào)用的封裝以及一些庫函數(shù)，但libc不包含創(chuàng)建帶有圖形界面應(yīng)用程序的功能。現(xiàn)在我們知道了，操作系統(tǒng)需要提供兩種接口：

• 給用戶提供操作接口。

• 給程序員提供編程接口。

這些就是好比汽車的外殼，我們(用戶和程序員)看得見摸得著，外殼加上底盤——也就是內(nèi)核，才是功能完善的操作系統(tǒng)。

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各種各樣的操作系統(tǒng)

實(shí)際上我們熟悉的Linux只是內(nèi)核而不能稱得上是操作系統(tǒng)，Ubuntu則可以認(rèn)為是操作系統(tǒng)，其內(nèi)核是Linux；RedHat也是操作系統(tǒng)，其內(nèi)核同樣是Linux；我們可以看到，盡管Ubuntu和RedHat是不同的操作系統(tǒng)，但其內(nèi)核可以是相同的。這就好比它們可以基于同樣的底盤打造出不同的車型。而我們熟悉的Windows也是操作系統(tǒng)，其內(nèi)核是Windows NT內(nèi)核。

總結(jié)

內(nèi)核就像本文開頭提到的電動底盤，包含了一個(gè)汽車的最核心元素；但這樣一個(gè)底盤并沒有什么實(shí)際用處，當(dāng)搭配上外殼以及座椅后才是一輛真正有用的車，這就好比操作系統(tǒng)。值得注意的是，不同的操作系統(tǒng)可以有相同的內(nèi)核。當(dāng)我們在使用方便的智能手機(jī)以及個(gè)人PC時(shí)不應(yīng)忘記，正是操作系統(tǒng)在背后的默默工作讓一堆硬件電路變得這么好用。希望這篇文章對大家理解操作系統(tǒng)以及內(nèi)核有所幫助

原文作者：碼農(nóng)的荒島求生