thumb|200px|Um núcleo de sistema conecta o software aplicativo ao hardware de um computador
Na informática, o kernel (em português: "núcleo") é o componente central do sistema operativo da maioria dos dispositivos computacionais (computador e smartphone por exemplo); ele serve de ponte entre programas-aplicativos e o processamento real de dados feito a nível de hardware, cuja responsabilidades incluem gerenciar os recursos do sistema (a comunicação entre componentes de hardware e software) usando o método da abstração (encapsulamento) facilitando o uso do dispositivo.
Geralmente como um componente básico do sistema operativo, um núcleo pode oferecer a camada de abstração de nível mais baixo para os recursos (especialmente processadores e dispositivos de entrada/saída) que softwares aplicativos devem controlar para realizar sua função. Ele tipicamente torna estas facilidades disponíveis para os processos de aplicativos através de mecanismos de comunicação entre processos e chamadas de sistema. Para evitar um sistema com núcleo, deve-se projetar o sistema que não trabalhe com abstração, porém isto aumenta a complexidade do projeto.
Tarefas de sistemas operativos são feitas de maneiras diferentes por núcleos diferentes, dependendo do seu desenho e abordagem. Enquanto núcleos monolíticos tentam alcançar seus objetivos executando todos os códigos de sistema no mesmo espaço de endereçamento para aumentar a performance do sistema, micronúcleos executam a maioria dos serviços do sistema no espaço de usuário como servidores, buscando melhorar a manutenção e a modularidade do sistema operativo.
Visão geral Na definição de núcleo, o professor alemão Jochen Liedtke disse que a palavra é "tradicionalmente usada para definir a parte do sistema operativo que é obrigatória e comum a todo software no sistema."Liedtke 95
A maioria dos sistemas operativos depende do conceito de núcleo. A existência de um núcleo é uma consequência natural de projetar um sistema de computador como séries de camadas de abstração,Tanenbaum 79, chapter 1 cada uma das funções dependendo das funções das camadas abaixo de si. O núcleo deste ponto de vista, é simplesmente o nome dado ao nível mais inferior de abstração que é implementado em software. Caso queira fazer/implementar um sistema operacional sem núcleo, ter-se-ia que projetar todo o software no sistema de modo a não utilizar abstração alguma; isto iria aumentar a complexidade e o projeto a tal ponto que apenas os sistemas mais simples seriam capazes de ser implementados.
Enquanto isto hoje é chamado núcleo, originalmente a mesma parte do sistema também foi chamado o nucleus ou caroçoWulf 74 pp.337-345Deitel 82, p.65-66 cap. 3.9Lorin 81 pp.161-186, Schroeder 77, Shaw 75 pp.245-267Brinch Hansen 70 pp.238-241 (Nota, no entanto, este termo caroço também foi usado para se referir a memória primordial de um sistema de computador, por que alguns dos primeiros computadores usaram uma forma de memória chamada memória de caroços magnéticos), e foi concebido originalmente como contendo apenas os recursos de suporte essenciais do sistema operativo.
Na grande maioria dos casos, o processo de iniciação começa executando o núcleo no modo supervisor.O nível de privilégio mais alto possui vários nomes pelas diferentes arquiteturas, tais como modo supervisor, modo núcleo, CPL0, DPL0, Anel 0, etc. Veja [Anel (segurança)] para mais informações. O núcleo depois inicializa a si e depois o primeiro processo. Depois disto, tipicamente, o núcleo não executa diretamente, apenas em resposta para eventos externos (ex., através de chamadas de sistema usados pelos aplicativos para requisitar serviços do núcleo, ou via interrupções usadas pelo hardware para notificar o núcleo sobre eventos). Além disso, tipicamente o núcleo fornece um laço que é executado sempre que nenhum processo esta disponível para execução; geralmente chamado de processo desocupado.
O desenvolvimento do núcleo é considerado uma das mais complexas e difíceis tarefas em programação. Sua posição central em um sistema operativo implica a necessidade de bom desempenho, que define o núcleo como peça de software crítica e torna seu desenvolvimento correto e implementação correta difícil. Devido a diversas razões, o núcleo pode até não ser capaz de utilizar mecanismos de abstração, que ele fornece a outro software. Tais razões incluem preocupações com o gerenciamento de memória e a falta de reentrância, logo o seu desenvolvimento torna-se ainda mais difícil para engenheiros de software. A otimização do uso de memória faz-se necessária, pois o núcleo não pode utilizar recursos de paginação por demanda, já que ele próprio fornece esta facilidade, tendo, então, que permanecer na memória para tal.
Geralmente um núcleo vai fornecer recursos para escalonamento de processos de baixo nível,Para escalonamento de processos de baixo nível veja Deitel 82, ch. 10, pp. 249–268. comunicação entre processos, sincronização de processos, troca de contexto, manipulação de blocos de controle de processo, gerenciamento de interrupções, criação e destruição de processos, e suspensão e continuação de processos (veja estados de processos).
Finalidades básicas O principal propósito do núcleo é gerenciar os recursos do computador e permitir que outros programas rodem e usem destes recursos. Tipicamente estes recursos consistem de: Unidade de processamento central (CPU, o processador): principal parte de um sistema de computação, responsável por executar programas nele. O núcleo tem a responsabilidade de decidir, em qualquer momento, qual dos programas em execução deve ser alocado para o processador ou processadores (cada um dos quais geralmente pode executar um programa por vez) Memória: usada para armazenar instruções do programa e dados. Tipicamente, ambos precisam estar presentes na memória de modo a tornar a execução do programa possível. Frequentemente múltiplos programas buscarão acesso à memória ao mesmo tempo, na maioria das vezes exigindo mais memória do que o computador pode disponibilizar. O núcleo é responsável pela decisão de que memória cada processo pode utilizar, e determinar o que fazer quando menos do suficiente está disponível. Dispositivos de entrada/saída, tais como teclado, mouse, entradas de disquete, impressoras, telas etc. O núcleo aloca pedidos de aplicativos para realizar entrada/saída para um dispositivo apropriado (ou subseção de um dispositivo, no caso de arquivos em um disco ou janelas em uma tela) e fornece métodos convenientes para o uso do dispositivo (tipicamente abstraído ao ponto onde o aplicativo não precisa mais conhecer os detalhes da implementação do dispositivo).
Aspectos importantes no gerenciamento de recursos são a definição de um domínio de execução (espaço de endereçamento) e o mecanismo de proteção utilizado para mediar o acesso a recursos dentro de um domínio.
Núcleos geralmente não oferecem métodos para sincronização e comunicação entre processos (IPC ).
Um núcleo pode implementar estes recursos ele mesmo, ou depender de alguns processos que ele executa para fornecer estas facilidades a outros processos, no entanto neste caso ele deve oferecer algum modo do IPC permitir que processos acessem as facilidades fornecidas um pelo outro.
Finalmente, um núcleo deve oferecer um método de acesso a estas facilidades para os programas em execução.
Gerenciamento de processos A principal tarefa de um núcleo é permitir a execução de aplicativos e ajudá-los com recursos como abstrações de hardware. Um processo define-se por um fluxo de atividades que se utiliza de recursos. Nesse caso, a execução de uma aplicação gera um processo. Processo este que delimita as porções da memória o aplicativo pode acessar.Levy 1984, p.5 O gerenciamento de processos do núcleo deve levar em conta o equipamento de hardware embarcado para proteção de memória.Needham, R.M., Wilkes, M. V. Domínio de proteção e gerenciamento de processos, Computer Journal, vol. 17, no. 2 de maio de 1974, pp 117-120.
Para executar um aplicativo, um núcleo geralmente cria um espaço de endereçamento, carrega o arquivo contendo as instruções do programa na memória (talvez via paginação por demanda), cria uma pilha para o programa e ramos para uma dada localização dentro do programa, iniciando, portanto, a sua execução.Silberschatz 1990
Núcleos multitarefa são capazes de dar ao usuário a ilusão de que um número de processos que está sendo executado simultaneamente no sistema é maior do que o número de processos que aquele sistema é fisicamente capaz de executar. Usualmente, o número de processos que um sistema pode executar simultaneamente é igual ao número de CPUs que ele possui instaladas (no entanto, isto pode não ser o caso de processadores que suportam múltiplas linhas de execução simultâneas).
Em um sistema multitarefas preemptivo, o núcleo dá a todos programas uma parcela do tempo e alterna entre os processos tão rapidamente que dá ao usuário a impressão de que eles estão sendo executados simultaneamente. O núcleo utiliza algoritmos de escalonamento para determinar qual processo será executado a seguir e quanto tempo lhe será dado. O algoritmo escolhido pode permitir que alguns processos tenham uma prioridade mais alta que muitos outros. O núcleo geralmente também provê a esses processos uma maneira de comunicarem-se; isto é chamado comunicação entre processos (IPC ) e as principais implementações são memória compartilhada, troca de mensagens e chamadas de procedimento remoto (veja computação concorrente).
Outros sistemas (particularmente em computadores menos potentes) podem fornecer multitarefa de cooperação, em que para cada processo é permitida execução ininterrupta até que ele faça uma requisição especial ao núcleo para que ele alterne para outro processo. Tais requisições são conhecidos como "indulgências" (yield ), e tipicamente ocorrem ou em resposta a um pedido para comunicação entre processos, ou para esperar até o acontecimento de um evento. Versões mais antigas do Microsoft Windows e do Mac OS utilizaram o conceito de multitarefa cooperativa, mas alternaram para esquemas preemptivos conforme a potência dos computadores alvo de seu mercado aumentava.
O sistema operativo pode também suportar o multiprocessamento (multiprocessamento simétrico (SMP ), ou, acesso não-uniforme a memória); neste caso, diferentes programas e linhas de execução podem rodar em diferentes processadores. Um núcleo para tal sistema deve ser projetado para ser reentrante, o que significa que ele pode rodar seguramente duas partes de seu código simultaneamente. Isto tipicamente significa oferecer mecanismos de sincronização (como trava-giros) para assegurar que dois processadores não tentarão modificar os mesmos dados ao mesmo tempo.
Gerenciamento de memória O núcleo possui acesso completo à memória do sistema e deve permitir que processos acessem a memória com segurança conforme suas necessidades. Frequentemente, o primeiro passo para isso é o endereçamento virtual, geralmente alcançado através da paginação e/ou segmentação. O endereçamento virtual permite ao núcleo fazer com que um endereço físico pareça ser outro, o endereço virtual. Espaços de endereço virtual podem ser diferentes para diferentes processos; a memória acessada por um processo através de um endereço virtual particular pode ser diferente da acessada por um outro processo através do mesmo endereço virtual. Isto possibilita que todos os programas funcionem como se estivessem sendo executados sozinhos, além do núcleo, e por isso evita que aplicativos travem uns aos outros.