[[406074]]

通用底盤技術

Canoo公司有一項核心技術專利，這就是它們的通用電動底盤技術，長得是這個樣子，非常像一個滑板：

這個帶輪子、有電池、能動的滑板已經包含了一輛車最核心的組件，差的就是一個外殼。

這個看起來像滑板的東西就是所謂的電池系統和底盤一體化技術，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。

什么是內核?

在上面這個示例中，包含輪子以及電池系統的底盤就好比內核，而套上外殼加上椅子以及內飾后的整體成品就好比操作系統。

內核僅僅是操作系統的一部分，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、讀寫網盤、讀寫內存以及任何連接到系統中的硬件。

除了與硬件交互外，內核還負責分配資源，分配什么資源呢?所謂資源就是硬件，比如CPU時間、內存、IO等等，這些都是資源。

現在我們知道了內核負責分配資源，那么問題來了，要怎么分配這些資源呢?答案就是以進程的形式來分配資源。

怎么分配呢?

一句話：虛擬大法好。

每個進程都認為自己在獨占CPU，這通過CPU時間片來實現，內核讓CPU在各個進程之間快速切換，這樣程序員寫好程序員后直接運行即可，即使在單核系統中運行成百上千個進程都沒有問題。

每個進程都認為自己在獨占內存，這通過虛擬內存來實現。

有的同學可能會問，為什么都要虛擬化呢?

答案顯而易見，因為計算機系統內的資源是有限的，我們只有幾個CPU核心、幾個G的內存，但卻要同時運行幾百幾千個進程，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，馬上將你的思想寫成論文發表出來，下一屆的圖靈獎非你莫屬，當然在發表獲獎感言的時候一定要記得表示是受到了【碼農的荒島求生】這個公眾號的啟發才想到的。

因此，內核的職責就是以進程的形式來分配CPU時間，以虛擬內存的形式來分配物理內存，以文件的形式來管理IO設備。

什么是操作系統?

然而只有一個內核實際上是做不了什么真正有用的事情，就像上面示例中那個通用底盤一樣，這個底盤確實能跑起來，但你沒辦法開著這樣一個底盤出去浪，因為這個底盤很難用。

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，內核是給人用的，為了與內核交互，發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，操作系統還需要給程序員提供編寫程序的接口，當我們寫的程序依賴內核提供的服務時是該怎么辦呢?

有的同學說我們需要依賴內核提供的服務嗎?

想一想，進行網絡編程時你有沒有自己編寫過處理TCP/IP協議棧數據的代碼?你有沒有自己寫代碼從網卡上收發數據?都沒有，實際上你需要做的僅僅是簡單的調用一些socket接口就可以了。

網絡編程僅僅是其中的一項，其它還包括文件IO、創建進程、創建線程等等等等，這些是內核提供的，那么我們該怎么使用呢?

答案就是通過所謂的系統調用，system call。

通過系統調用，我們可以像使用普通函數那樣向操作系統請求服務，當然，直接使用系統調用是非常繁瑣的，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調用的封裝，還包括其它功能，像創建帶有圖形界面的應用程序等等。

但在Linux世界你找不到一種類似Windows API的東西，畢竟Windows是微軟自家產品，什么都可以打包起來，Linux只是一個開源的內核，如果一定要找一個類似的東西話那就是libc，也就是C標準庫，這里同樣包括了對系統調用的封裝以及一些庫函數，但libc不包含創建帶有圖形界面應用程序的功能。

現在我們知道了，操作系統需要提供兩種接口：

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——也就是內核，才是功能完善的操作系統。

[[406079]]

各種各樣的操作系統

實際上我們熟悉的Linux只是內核而不能稱得上是操作系統，Ubuntu則可以認為是操作系統，其內核是Linux;RedHat也是操作系統，其內核同樣是Linux;我們可以看到，盡管Ubuntu和RedHat是不同的操作系統，但其內核可以是相同的。

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，其內核是Windows NT內核。

總結

內核就像本文開頭提到的電動底盤，包含了一個汽車的最核心元素;但這樣一個底盤并沒有什么實際用處，當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。值得注意的是，不同的操作系統可以有相同的內核。

當我們在使用方便的智能手機以及個人PC時不應忘記，正是操作系統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以及內核有所幫助。