操作系统结构

简单结构

• 定义：没有 ==模块化== 的设计，利用最小的空间尽可能提供操作系统所有功能
• 优点 & 缺点：
  • 优点：操作系统所有功能之间可以 ==任意== 通信 -> 效率相对较高
  • 缺点：(1) 操作系统理解维护非常困难 (2) 单个功能的崩溃会影响整个操作系统
• 细节：
  • 早期的 MS-DOS 操作系统就是采用 ==简单结构== -> 没有明确的区分功能的接口和层次
  • 早期的 MS-DOS 操作系统允许应用程序 ==直接访问== 底层硬件的驱动 -> 对于操作系统来说是非常危险的
    • 原因(1)：设计之初确实没有想过采用分层的思想
    • 原因(2)：Intel 提供的处理器不支持双模式的切换和硬件保护

分层结构

• 定义：将操作系统的所有功能分为若干层；最高层为用户接口；最低层为硬件设备

• 优点 & 缺点

  • 优点：(1) 构造调试每层的功能是非常容易的 (2) 向上可以屏蔽底层具体实现

  • 缺点：(1) 精确定义每层功能非常困难 (2) 分层越细致会导致操作系统性能越低

    Windows NT 最初就采用分层结构导致操作系统的性能非常低；Windows XP 采用的就是简单的单片结构

• 细节：

  • 现代操作系统通常采用的是 ==简单的单片结构==（分层结构 + 简单结构）

    简单分层结构：用户层 + 系统程序 + 内核 + 底层硬件 / 系统程序 + 内核

    现代操作系统大多数仍然采用这种简单的分层结构

微内核

• 定义：删除内核中所有不必要的功能，将其当做 ==系统级== 或者说 ==用户级== 的功能实现

• 优点 & 缺点

  • 优点：

    1. 操作系统易于扩展

    2. 操作系统可以非常轻易的实现跨平台

       解释：删除了内核中非常多的不必要的功能之后导致内核是非常小的

    3. 操作系统具有很好的 ==可靠性== 和 ==安全性==

       解释：原来的运行在内核中的功能现在被迁移到内核之外运行，即使发生故障也不会影响操作系统

  • 缺点：操作系统效率相对较低

• 细节：

  • 保留的必要功能：==进程管理== + ==内存管理== + ==通信功能==

  • 客户端程序是不会直接访问用户级的操作系统功能，仍然需要借助内核；用户级的功能也是不可以直接访问底层硬件的

  • 客户端程序和用户级的功能之间的通信采用的是 ==消息传递== 的方式

    MacOS 部分采用微内核设计实现

• 运行过程：

  1. 应用程序需要使用 I/O 设备 -> 应用程序发送系统调用
  2. 系统找到相应的驱动程序然后通知驱动程序完成指令
  3. 驱动程序找到相应的控制器 -> 控制器操控相应的设备完成指令
  4. 微内核最后将结果返回给应用程序

虚拟机

• 定义：运行在 ==操作系统之上== 的具有真实计算机拥有的 ==全部硬件功能== 的计算机

• 优点 & 缺点

  • 优点：

    1. 虚拟机系统故障不会影响到 ==宿主操作系统== 和 ==真实的底层硬件==

    2. 虚拟机为开发人员提供了非常大的便利

    <a style="color:red;">虚拟机具备真实计算机拥有的全部硬件功能，虚拟机可以安装任何操作系统</a> -> 程序员可以利用虚拟机安装各式各样的操作系统进行使用
    

  • 缺点：虚拟化技术相对比较难以实现

    常用虚拟机：Virtual Box & VMware

• 细节：

  • 可以认为虚拟机将 操作系统 + 底层硬件 都做为硬件看待

  • 宿主操作系统上可以运行多个不同的虚拟机 -> 类似于多道程序系统

    宿主操作系统：真实计算机所运行的操作系统

  • 多个虚拟共享真实计算机提供的所有资源

  • 虚拟机系统调用的执行：

    • 虚拟机中的应用程序发出系统调用 -> 系统调用陷入虚拟机中
    • 虚拟机再发出普通的硬件指令到宿主操作系统中
    • 宿主操作系统再调用真实的硬件

  • 虚拟化：