操作系统体系结构

概述

• 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。

操作系统内核

内核是操作系统最基本，最核心的部分。实现操作系统内核的功能的那些程序就是内核程序。

• 时钟管理：实现计时功能。
• 中断处理：负责实现中断机制。
• 原语：
  • 是一种特殊的程序。
  • 处于操作系统最底层，最接近硬件的部分。
  • 这些程序的运行具有原子性——其运行只能一气呵成，不可中断。
  • 运行时间较短，调用频繁。
• 对系统资源进行管理功能：
  • 进程管理
  • 存储器管理
  • 设备管理

时钟管理，中断处理，原语是与硬件关联紧密的模块。而对系统资源的管理更多是对数据结构的操作，不会直接涉及硬件。

操作系统内核结构

大内核和微内核

比如：应用程序想请求操作系统的服务，这些服务的处理涉及到进程管理，存储管理，设备管理。

对于大内核：CPU只需要进行两次变态即可
对于微内核：CPU需要进行很多次变态。

大内核：将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态。

• 优点：高性能。
• 缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护。

微内核：只把最基本的功能保留在内核

• 优点：内核功能少，结构清晰，方便维护。
• 缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低。

分层结构

特征：内核分为多层，每层可以调用更低一层的服务。
优点：

• 便于调试和验证
• 易扩充和维护，各层之间调用接口清晰固定。

缺点：

• 仅可调用相邻低层，难以合理定义各层边界。
• 效率低，不能跨层调用，系统调用执行时间长。

模块化

模块化是将内核划分为多个模块，各模块之间相互协作。内核就可以被分为主模块和可加载内核模块。

• 主模块：只负责核心功能，如进程调度，内存管理。
• 可加载内核模块：可以动态加载新模块到内核，而无需重新编译整个内核。

优点：

• 各模块之间逻辑情绪易于维护。
• 支持动态加载新的内核模块。
• 如果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。

缺点：

• 模块间的接口定义未必合理，实用。
• 模块间相互依赖，更难调试验证。

宏内核

所有的系统功能都放在内核里

优点：

• 性能高，内核各种功能都可以直接相互调用。

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，进程通信等核心功能放入内核；文件管理，设备管理。进程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，需要频繁的切换内核态和用户态。
• 用户态下各个功能模块不能直接相互调用，只能通过内核的消息传递来间接通信。

外核

内核负责进程调度，进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核保证资源使用安全。

优点：

• 外核可以直接给用户进程分配物理资源
• 减少了虚拟硬件资源的映射层，提升效率。

缺点：

• 降低了系统的一致性
• 使系统变得复杂。