OS 学习笔记(5) 操作系统的体系结构

王道OS 1.4 操作系统的体系结构

知识总览

绿色为2023考纲新增

分层结构

• 分层法是将操作系统分为若干层，最底层(层0）为硬件，最高层（层N)为用户接口，每层只能调用紧邻它的低层的功能和服务（单向依赖)。
• 分层法的优点:
  • 便于系统的调试和验证，简化了系统的设计和实现。第1层可先调试而无须考虑系统的其他部分，因为它只使用了基本硬件。第1层调试完且验证正确之后，就可以调试第2层，如此向上。如果在调试某层时发现错误，那么错误应在这一层上，这是因为它的低层都调试好了。
  • 易扩充和易维护。在系统中增加、修改或替换一层中的模块或整层时，只要不改变相应层间的接口，就不会影响其他层。
• 分层法的缺点:
  • 合理定义各层比较困难。因为依赖关系固定后，往往就显得不够灵活。
  • 效率较差。操作系统每执行一个功能，通常要自上而下地穿越多层，各层之间都有相应的层间通信机制，这无疑增加了额外的开销,导致系统效率降低。

模块化

• 模块化是将操作系统按功能划分为若干具有一定独立性的模块。每个模块具有某方面的管理功能，并规定好各模块间的接口，使各模块之间能够通过接口进行通信。还可以进一步将各模块细分为若干具有一定功能的子模块，同样也规定好各子模块之间的接口。这种设计方法被称为模块-接口法。
  

• 模块化的优点:

  • 模块间逻辑清晰易于维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发
  • 支持动态加载新的内核模块(如:安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核),增强OS适应性
  • 任何模块都可以直接调用其他模块,无需采用消息传递进行通信，效率高

• 模块化的缺点:

  • 模块间的接口定义未必合理、实用
  • 模块间相互依赖,更难调试和验证

操作系统的内核

• 操作系统的功能可以分为内核功能和非内核功能
  

• 时钟管理：利用时钟中断实现计时功能

• 原语：一种特殊的程序，具有原子性（一气呵成，不可被中断）

• 内核是操作系统最基本、最核心的部分

• 实现操作系统内核功能的那些程序就是 内核程序

大内核 vs 微内核

• 注意：

  • 操作系统内核需要运行在内核态
  • 操作系统的非内核功能运行在用户态

• 一个情境：现在，应用程序想要请求操作系统的服务，这个服务的处理同时涉及到进程管理、存储管理、设备管理

  • 注意：状态转换的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁的状态转换会降低系统性能

• 宏内核（大内核）也使用了"模块化"的设计思想

  • 优点

    • 性能高,内核内部各种功能都可以直接相互调用

      而微内核功能间互相调用需要通关消息传递的方式

  • 缺点

    • 内核庞大功能复杂，难以维护
    • 大内核中某个功能模块出错，就可能导致整个系统崩溃

• 微内核只把中断、原语、进程通信等最核心的功能放入内核。进程管理、文件管理、设备管理等功能以用户进程的形式运行在用户态

  • 优点
    • 内核小功能少、易于维护,内核可靠性高
    • 内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统崩溃
  • 缺点
    • 性能低,需要频繁的切换用户态/核心态。用户态下的各功能模块不可以直接相互调用,只能通过内核的“消息传递“来间接通信
    • 用户态下的各功能模块不可以直接相互调用,只能通过内核的“消息传递“来间接通信

知识回顾与重要考点

Mermaid居然还能画甘特图

• https://zhuanlan.zhihu.com/p/166668789

• 典型的大内核/宏内核/单内核 操作系统： Linux、UNIX
• 典型的 微内核 操作系统： Windows NT

外核

• 不同于虚拟机克隆真实机器，另一种策略是对机器进行分区，给每个用户整个资源的一个子集。这样，某个虚拟机可能得到磁盘的0至1023盘块,而另一台虚拟机会得到磁盘的1024至2047块，等等。在底层中，一种称为外核（exokernel)的程序在内核态中运行。它的任务是给虚机分配资源，并检查使用这些资源的企图，以确保没有机器会使用他人的资源。每个用户层的虚拟机可以运行自己的操作系统，但限制只能使用已经申请并且获得分配的那部分资源。
• 外核机制的优点是减少了映射层。在其他的设计中，每个虚拟机都认为它有自己的磁盘，其盘块号从0到最大编号，这样虚拟机监控程序就必须维护一张表格以重映像磁盘地址（或其他资源)，有了外核，这个重映射处理就个需要了。外核只需要记录已经分配给各个虚拟机的有关资源即可。这种方法还有一个优点，它将多道程序（在外核内）与用户操作系统代码（在用户空间内）加以分离，而且相应的负载并不重，因为外核所做的只是保持多个虚拟机彼此不发生冲突。

王道chap1 回顾

视频里举的太监、大臣和皇上的例子挺好玩的

英文表达、术语积累（《操作系统概念》第九版、ostep 《OPERATING SYSTEMS THREE EASY PIECES》）

• Bibliographical Notes 参考书目注释
  • bibliographical adj.书目的；书目提要的；书志学的