科普|内核kernel（概念理解、功能介绍、宏内核和微内核）
科普|内核kernel（概念理解、功能介绍、宏内核和微内核）
本文是一篇关于计算机内核的科普文章，主要介绍了内核的基本概念、功能以及宏内核和微内核的区别。文章通过类比市政服务机构来解释内核的作用，帮助读者理解内核在计算机系统中的地位和功能。文章内容详尽，涵盖了内核的核心概念，如系统调用、用户态和内核态等，并对宏内核和微内核的优缺点进行了对比分析。
当被问起计算机内核，你会想到什么？
会想到系统调用？会想到进程管理？会想到IO操作？
还是觉得跟工作基本无关，又麻烦又难，根本不需要了解~
非也！非也！
内核的理解很必要，也可以很简单，跟随本文一步步来 ~
如果想在计算机领域做到高级职位，有所建树，那内核理解就是必修课！
了解计算机内核是理解计算机架构和进程运行的基础，能够在操作系统选择、通信和安全管理、性能优化等方面发挥重要作用；另外充分理解和应用内核设计思想，将有助于解决复杂问题，优化系统和流程，推动业务发展和创新。
本文希望和大家一起建立起来对内核的基本认知
————————破障之旅开启——————————————
首先来理解下内核这个词——内部的核心，什么人是一个团队的核心？什么组件称得上一个系统的核心呢？
我们说某个公司的核心人物、核心团队是什么意思呢？核心人物和团队都是指掌握了公司关键资源（比如资金、人才、技术、核心客户关系）的人和团队。
在计算机领域也是如此，掌握计算机系统关键资源的模块就叫计算机内核。
计算机系统主要有内存、CPU、进程、设备、文件系统和网络等，计算机世界资源分配原则之一是—— 按需分配不浪费，所以就出现了统一管理这些资源的内核模块。
内核功能展示
在一个城市中，计算机内核就像市政服务机构一样，而每个进程则类似于一个个独立家庭或公司。
市政服务机构（内核）管理着公共资源和服务，如道路、电力、水供应等，市政机构（内核）是唯一的，不属于任何家庭（进程），但为所有家庭（进程）提供服务。
家庭、公司（进程）各自独立，管理自己的事务，家庭（进程）不能直接控制或管理公共资源，但可以通过市政（内核）的各种部门获得所需服务。
内核是服务于所有进程的，所以内核会在系统启动后首先运行起来 。
内核虽然不是严格意义的进程，我们也可以把它当作一个超级进程来看待，像进程一样，内核中也有多个线程来处理各种不同类型任务 。
当各个应用当想获得系统服务的时候，需要通过调用一些已经封装好的方法来获取：
比如fork（）——创建进行、mmap()—内存映射、socket（）——网络通信等
这些方法被调用后，程序就会从进程用户空间（进程管理范围）切换到内核空间继续运行，这就叫做系统调用，这些fork（）、mmap() 等方法叫做内核方法。
一个进程在运行这些内核方法的时候，具备很多特权，可以使用各种系统资源，这种状态叫做特权态，也叫做内核态，与内核态对应的是用户态，是指进程在运行非内核方法时候的状态。
目前大多数内核是用C语言和汇编语言写的，因为C语言提供了高效的底层内存和硬件控制能力，但不管什么语言写的，最终都会编译成机器码，所以其他各种语言，比如go、java、python经过编译后都可以调用内核方法。
在其他进程来看来，内核就是实现了各种内核方法的工具集合而已，所以我们想自己实现一个计算内核，只要实现目前流行内核提供的各种内核方法就好了~
——————宏内核和微内核——————
其实前面介绍的内核叫宏内核， 比如常见Linux内核以及各种变种，它管理了各种系统资源，几乎涵盖了一个操作系统所有的功能，这导致代码复杂且难以维护，移植到新硬件平台时需要进行大量修改；
宏内核所有资源管理模块都在内核空间中运行，模块之间的依赖性和耦合度很高，修改一个模块可能会影响其他模块；
宏内核所有模块共享同一个地址空间，如果某个模块出现错误（如内存越界或崩溃），可能会导致整个内核和系统崩溃；
宏内核所有模块在内核空间中运行，任何模块的漏洞都可能被利用来攻破系统；
在一些没有这么多资源可以管理的系统中，宏内核的多余功能的运行本身就是一种浪费。
为了应对宏内核在复杂性、可靠性、安全性和灵活性方面的挑战 ，微内核出现了
宏内核VS微内核
如图，微内核只保留最基本、最核心的功能，其他操作系统服务如文件系统、网络协议栈、设备驱动等都做成一个个独立服务，这些服务运行在用户空间，可以方便地添加、删除或替换，而无需重新编译或修改内核。
各服务在独立的地址空间中运行，减少了服务之间的相互影响，提高了系统的可靠性和安全性。
微内核的劣势也显而易见——频繁的IPC通信会带来额外的性能开销，需要我们提供更加高效的IPC机制。
但总体来说微内核是时代发展的产物，它的设计思想在操作系统领域展示了其强大的生命力和优越性，通过模块化设计、安全与隔离、简化内核、提供高效的IPC和高可移植性等方面的创新，为计算机科学和软件工程带来了深远的启示，比如微服务、插件化、组件化、容器化都是类似的底层逻辑。在公司、机构、甚至城市管理方面，借鉴微内核的设计思想，也可以帮助我们构建更加灵活、可靠、安全和高效组织和架构。