Was ist ein Kernel?

Der Kernel ist das Herzstück eines Betriebssystems, das zwischen Ihren Anwendungen und Ihrer Hardware angesiedelt ist. Er verwaltet die Ressourcen Ihres Computers (CPU, Arbeitsspeicher, Speicherplatz, Geräte) und stellt eine sichere, konsistente Möglichkeit für Software bereit, diese zu nutzen. Stellen Sie sich den Kernel als Verkehrspolizisten und Übersetzer vor, der dafür sorgt, dass alles ohne Kollisionen abläuft.

Auf hoher Ebene der Kernel:

• Zeitpläne funktionieren. Sie legen fest, welches Programm wann CPU-Zeit erhält.
• Verwaltet den Speicher. Hält die Daten jeder App getrennt und weist RAM nach Bedarf zu.
• Verarbeitet Geräte und Dateien. Kommuniziert mit Treibern für Ihre GPU, SSD, Netzwerkkarte und Dateisysteme.
• Vermittelt E/A. Liest und schreibt Dateien und Netzwerkdaten im Auftrag von Apps.
• Sorgt für Sicherheit. Trennt den Benutzermodus (Apps) vom Kernelmodus (dem Kern des Betriebssystems), sodass eine fehlerhafte App nicht das gesamte System zum Absturz bringen kann.

Nicht ganz. Der Begriff „Betriebssystem“ umfasst in der Regel den Kernel sowie Tools und Dienste im Benutzerbereich (Shells, Bibliotheken, Desktop-Umgebungen, Hintergrunddienste usw.). Im Alltag werden diese Begriffe oft synonym verwendet, aber streng genommen ist der Kernel nur der privilegierte Kern, auf dem alles andere basiert.

Wenn eine App eine Datei speichern oder ein Netzwerkpaket senden muss, führt sie einen Systemaufruf durch, eine kontrollierte Anfrage, die vom Benutzermodus in den Kernelmodus übergeht. Der Kernel überprüft die Berechtigungen, leitet die Anfrage an das richtige Subsystem oder den richtigen Treiber weiter und gibt das Ergebnis an die App zurück. Diese Grenze schützt Apps vor einander und vor den scharfen Kanten der Hardware.

Ja. Es werden einige allgemeine Designs vorgestellt:

• Monolithische Kernel bündeln Kernservices und viele Treiber. (Beispiel: der Linux-Kernel.)
• Mikrokernel halten den Kern klein und verlagern mehr Dienste zur Isolierung außerhalb des Kernels.
• Hybride oder modulare Ansätze kombinieren Ideen. Praktische Systeme verschieben Komponenten häufig innerhalb oder außerhalb der Kernel-Grenze, um die Leistung oder Sicherheit zu verbessern.

All diese Systeme verfolgen dasselbe Ziel: eine zuverlässige und schnelle Steuerung der Hardware. (Apples XNU beispielsweise kombiniert einen Mach-Mikrokernel mit einer BSD-Schicht; Windows dokumentiert eine mehrschichtige Kernelarchitektur.)

Das hängt von Ihrer Plattform ab:

• Windows/macOS: Kernel-Updates werden im Rahmen der normalen Betriebssystem-Updates bereitgestellt.
• Linux und viele Server/Geräte: Der Kernel ist ein separates Paket, das Sie über Ihre Distribution oder Ihren Anbieter aktualisieren können. Langzeit-Support-Kernel (LTS) tauschen neue Funktionen gegen Stabilität ein.

Updates bieten Hardware-Unterstützung, Leistungsoptimierungen und Sicherheitskorrekturen, aber auf Produktionssystemen sollten Sie diese in der Regel zuerst testen.

Sehr kurze Version: Zuerst wird die Firmware/UEFI ausgeführt, dann lädt der Bootloader den Kernel in den Speicher, der Kernel initialisiert die Hardware und Treiber, mountet den Speicher und startet dann den ersten Benutzerprozess, der den Rest des Systems hochfährt. Danach plant er kontinuierlich Aufgaben und verarbeitet E/A-Vorgänge im Hintergrund.

Absolut. Android-Smartphones, Spielkonsolen, Router und Smart-TVs laufen meist mit einer Art Betriebssystem mit einem Kernel im Hintergrund. Das Konzept gilt nicht nur für Desktops und Laptops.

Wenn im Kernel ein Fehler auftritt (z. B. ein kritischer Treiberfehler), wird das Betriebssystem häufig beendet, um eine Beschädigung der Daten zu vermeiden. Unix-ähnliche Systeme melden einen Kernel Panic, Windows zeigt einen Stoppfehler (den „blauen Bildschirm“) an. Das sieht dramatisch aus, ist jedoch eine letzte Sicherheitsmaßnahme zum Schutz Ihrer Dateien.

• Der Kernel ist der privilegierte Kern des Betriebssystems, der CPU, Speicher, Geräte und E/A verwaltet.
• Apps interagieren mit ihm über Systemaufrufe über die Grenze zwischen Benutzermodus und Kernelmodus hinweg.
• Verschiedene Kernel -Designs (monolithisch, Mikrokernel, Hybride) sorgen für ein Gleichgewicht zwischen Leistung, Isolation und Wartbarkeit.

• Benutzerbereich / Kernelbereich: Bereiche, in denen normale Anwendungen im Gegensatz zum Kernel ausgeführt werden.
• Systemaufruf (syscall): Der kontrollierte Einstiegspunkt von Anwendungen zu Kernel-Diensten.
• Treiber: Kernel- oder Benutzerbereichskomponente, die weiß, wie ein bestimmtes Gerät zu bedienen ist.
• Scheduler: Kernel-Komponente, die entscheidet, welcher Thread als nächstes ausgeführt wird.
• Virtueller Speicher: Kernel-Funktion, die jedem Prozess seinen eigenen Adressraum zuweist.
• Bootloader: Programm, das den Kernel beim Start in den Speicher lädt.
• Kernel Panic / Stop-Fehler: Ein schwerwiegender Fehler im Kernel-Modus, der das System anhält, um Schäden zu verhindern.