Shell, Kernel und API erklärt: Die Kernschichten eines Betriebssystems

Normale Nutzer machen sich eigentlich keine Gedanken darüber, wie alles in ihren Computern funktioniert. Wir schalten unseren Computer meist einfach ein und nutzen ihn für den jeweiligen Zweck, doch hinter den Kulissen laufen zahlreiche Prozesse ab. Die wichtigsten Komponenten eines jeden Betriebssystems sind die Shell und der Kernel.

Auf den ersten Blick mögen diese beiden Begriffe sehr technisch klingen; sie sind jedoch recht einfach und gut verständlich. In diesem Artikel führen wir Sie durch die wichtigsten Unterschiede zwischen diesen beiden Begriffen und erklären, warum sie für jedes Betriebssystem wichtig sind.

Kernfunktionen des Kernels

Der Kernel ist ein Kernelement des Betriebssystems und interagiert direkt mit der Hardware des Computers. Die Hauptaufgabe dieses Teils besteht darin, die Hardware so mit den Anwendungen zu verbinden, dass Softwareanwendungen ohne Probleme im Zusammenhang mit Speicher, Arbeitsspeicher und Geräten funktionieren können.

Das bedeutet: Wenn Sie ein Spiel spielen oder einfach nur auf Ihrem Computer surfen, ist diese Komponente für den reibungslosen Ablauf und die Verwaltung der Ressourcen unerlässlich. In jedem Betriebssystem ist der Prozess mit den folgenden Elementen verbunden: Speicher (Daten, Heap, Stack), Prozesssteuerungsblock und Metadaten zur Prozessplanung.

Wichtige Funktionen des Kernels

• Speicherverwaltung. Das bedeutet, dass er für die Zuweisung von RAM an Anwendungen und dessen Rückgewinnung benötigt wird, wenn dieser nicht mehr benötigt wird.
• Verwaltung von Prozessen. Auf Ihren Rechnern laufen zahlreiche Aufgaben, selbst wenn Sie nur eine Anwendung geöffnet haben. Daher sorgt der Kernel für die Aufteilung der CPU-Zeit und die Festlegung der richtigen Reihenfolge.
• Verwaltung der Geräte. Jedes Gerät, wie beispielsweise ein Drucker, eine Tastatur, eine GPU oder eine Festplatte, muss in irgendeiner Weise mit dem Betriebssystem interagieren. Um eine ordnungsgemäße Interaktion zwischen Software und Hardware zu gewährleisten, kommen spezielle Treiber zum Einsatz.
• Schutz und Sicherheit. Der Kernel sorgt außerdem dafür, dass bestimmte Programme keinen Zugriff auf geschützte Hardware und Speicherbereiche haben. Zudem tragen sie zur Prozessisolierung bei.
• Verwaltung des Dateisystems. Sie helfen dabei, eine spezifische Struktur für den Abruf und die Speicherung von Daten zu schaffen. Beispielsweise sorgen Kernel-Funktionen im Hintergrund für das Speichern, Öffnen und Löschen von Dateien.

Um eine anschaulichere Erklärung zu erhalten, betrachten wir den Funktionsablauf eines Musik-Players. Der Kernel weist der App den erforderlichen Speicher zu, prüft anschließend, ob die CPU die Daten verarbeitet, interagiert mit dem Audiogerät und verwaltet schließlich den Dateizugriff.

Arten von Kerneln

Je nach Betriebssystem kommen verschiedene Arten von Kerneln zum Einsatz, wie zum Beispiel:

• Mikrokernel. Hier laufen nur die notwendigen Dienste im Kernel, während andere separat ausgeführt werden (Minix).
• Monolithisch. Alle Dienste laufen in einem einzigen großen Codeblock (Linux).
• Hybrid. Vereint Merkmale von Mikrokernel und monolithischem Kernel (Windows).

Kategorien von Shells

Die Shell ist eine Schnittstelle, die zwischen dem Kernel und dem Benutzer fungiert. Sie nimmt Befehle vom Endbenutzer entgegen, leitet diese an den Kernel weiter und gibt das Endergebnis an den Benutzer zurück. Alle Prozesse im Kernel sind für den Benutzer nicht sichtbar, während die Shell sichtbar ist, da man direkt mit ihr interagiert.

Arten von Shells

• Befehlszeilen-Shell (CLI). Sie funktioniert mithilfe von Befehlen. Die wichtigsten Beispiele sind Zsh, Bash und PowerShell. Diese Art mag auf den ersten Blick sehr anspruchsvoll wirken, ist aber tatsächlich hilfreich für Administratoren, Entwickler und normale Benutzer.
• Grafische Shell (GUI). Dieser Typ gilt als die gängigste Option und verfügt über Symbole, Fenster und verschiedene Menüs. Die wichtigsten Beispiele sind Finder, Windows Explorer und GNOME.    

Wesentliche Unterschiede zwischen Kernel und Shell

Der Interaktionsprozess zwischen Kernel und Shell

Um den Prozess besser zu verstehen, betrachten wir ein konkretes Beispiel:

1. Aktion des Benutzers – Klicken auf die Datei unter Windows.

2. Shell – erkennt den Befehl und leitet ihn an den Kernel weiter.

3. Kernel – ruft die Datei aus dem Speicher ab, reserviert Speicherplatz und bereitet die erforderlichen Informationen vor.

4. Shell – gibt den benötigten Inhalt auf dem Bildschirm aus.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Shell eine Schnittstelle ist, die Benutzern die Interaktion mit dem Kernel ermöglicht. Der Kernel hingegen kümmert sich um die Interaktion zwischen Hardware und Software. Beide Elemente sind äußerst wichtig und arbeiten im Hintergrund daran, die Benutzererfahrung reibungsloser zu gestalten.