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2 Operating System Structures

说明

本文档仅涉及部分内容，仅可用于复习重点知识

1 Operating System Services

一组操作系统服务提供对用户有帮助的功能：

  1. user interface: CLI, GUI
  2. program execution
  3. I/O operations
  4. file system manipulation
  5. communications：进程可在同一台计算机或通过网络在不同计算机之间交换信息
  6. error detection

另一组操作系统功能旨在通过资源共享确保系统自身的高效运行

  1. resource allocation：当多个用户或多个任务并发运行时，必须为每个对象分配资源
  2. accounting（统计）：跟踪记录用户使用的计算机资源数量和类型
  3. protection and security：要实现系统保护与安全，必须在整个系统中实施预防措施。链条的强度取决于其最薄弱环节

2 User Operating System Interface

2.1 CLI

CLI 允许直接输入命令

  • 有时通过 kernel 实现
  • 有时通过 systems program 实现
  • 有时实现多种风格：shell
  • 有时命令是内置的（DOS）：命令直接嵌入 CLI 本身，执行效率高但扩展性差
  • 有时只是程序名称（Unix）：CLI 只识别程序名称，实际执行外部可执行文件，支持功能扩展而无需修改 CLI 核心代码

3 System Calls

系统调用

操作系统提供服务的编程接口，通常用高级语言（C/C++）编写。程序主要通过高级应用程序接口（API，Application Program Interfaces）访问这些服务，而非直接使用系统调用

  1. Win32 API：Windows
  2. POSIX API：基于 POSIX 系统（包括几乎所有 UNIX、Linux 和 Mac OS X版本）
  3. Java API：Java 虚拟机

使用 API：

  1. portability（可移植性）
  2. easy to use（易用性）

3.1 System Call Implementation

每个系统调用都有一个对应的编号，系统调用接口维护一个根据这些编号索引的表格

系统调用接口在操作系统内核中调用预期的系统调用，并返回系统调用的状态和任何返回值

调用者无需知道系统调用的具体实现方式，只需要遵守 API 并理解操作系统执行调用后的结果。API 向程序员隐藏了操作系统接口的大部分细节

3.2 System Call Parameter Passing

向操作系统传递参数的三种通用方法：

  1. 通过寄存器传递参数：在某些情况下，参数数量可能超过寄存器数量
  2. 参数存储在内存中的块或表中，块的地址作为参数通过寄存器传递
  3. 参数由程序压入栈中，由操作系统弹出栈：块和栈方法不限制传递参数的数量或长度

4 Types of System Calls

  1. process control
  2. file management
  3. device management
  4. information maintenance
  5. communication
  6. protection
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4.1 System Programs

system program 为程序开发和执行提供了便利环境。它们可分为：

  1. file manipulation
  2. status information
  3. file modification
  4. programming language support
  5. program loading and execution
  6. communications
  7. application programs

5 Operating System Design and Implementation

操作系统设计没有标准解决方案，属于开放性问题。不同系统采用不同架构（如宏内核、微内核等），结构差异显著

设计必须首先明确设计目标和功能规格，硬件平台和系统类型（实时系统、分时系统等）决定设计方向

  • user goals：注重用户体验——易用性、学习曲线、性能表现和安全性
  • system goals：关注工程实现——可维护性、灵活性、正确性和效率

policy 决定做什么（实现什么规则），mechanism 决定怎么做

separation of mechanism and policy

  • mechanism：磁卡读卡器、远程控制的门锁、与安全服务器的连接（系统中固定的、通用的底层实现部件）
  • policy：哪些人应在何时被允许进入哪些门（可变的、具体的业务规则或决策）

如果需要更改准入规则，只需在安全服务器的数据库（策略）中修改即可，无需更换或重新编程门锁和读卡器（机制）

6 Operating System Structure

6.1 Simple Structure

MS-DOS

  • 设计目标：在最小的空间内提供最多的功能
  • 未划分为模块：操作系统的大部分功能（如命令解释器、内核、设备驱动程序）都紧密地耦合在一起，没有清晰的界限

  • 接口和功能层级未得到良好分离：

    • 接口不清晰：应用程序可以直接访问底层的 BIOS（基本输入输出系统）甚至硬件，这虽然提高了效率，但极其危险
    • 缺乏层级：高级功能（如文件系统）和低级功能（如直接硬件操作）之间没有严格的层级保护。一个应用程序的错误很容易导致整个系统崩溃
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6.2 Layered Operating System

Layered Approach：操作系统被划分为若干层（层级），每一层都构建在更低层之上。最底层（第 0 层）是硬件；最高层（第 N 层）是用户界面。通过模块化，分层的选择使得每一层仅使用更低层级层的功能（操作）和服务

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6.3 UNIX

受限于硬件功能，最初的 UNIX 操作系统结构较为简单。UNIX 操作系统由两个可分离的部分组成：

  1. System programs
  2. The kernel：内核包含系统调用接口以下、物理硬件以上的所有部分。它提供文件系统、CPU 调度、内存管理和其他操作系统功能；在单一层次上包含了大量功能
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6.4 Microkernel System Structure

微内核的设计哲学是最小化内核。它只将最核心、最必须的功能保留在内核中，而将其他所有操作系统服务（如文件系统、设备驱动、网络协议栈等）作为独立的"用户态进程"运行

用户模块之间通过消息传递进行通信：当一个应用程序需要操作系统服务时（例如，要读取一个文件），它不会直接调用内核函数，而是向"文件系统服务器"进程发送一个消息。微内核只负责安全地传递这些消息。目标服务器进程收到消息，执行请求的操作，然后通过消息回复结果

优点：

  1. 更容易扩展微内核
  2. 更容易将操作系统移植到新的体系结构
  3. 更可靠（在内核模式下运行的代码更少）
  4. 更安全

缺点：用户空间与内核空间通信的性能开销

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6.4 Mac OS (X) Structure

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6.5 Modules

大多数现代操作系统实现了 kernel module

设计特点：

  1. 面向对象方法：每个模块像一个"对象"，封装了特定的功能，并对外提供定义良好的接口
  2. 组件分离：核心组件与扩展功能是分离的，提高了代码的模块化和可维护性
  3. 每个组件通过已知的接口与其他组件通信：模块之间通过预先定义好的、稳定的 API（应用程序编程接口）进行交互。这保证了模块之间的松散耦合
  4. 模块之间直接相互调用，而不是通过消息传递：这是与微内核的关键区别。模块都运行在内核态，它们之间的通信是直接的函数调用，效率极高，避免了微内核消息传递的性能开销
  5. 动态加载：模块可以在系统运行时被加载到内核或从内核中卸载，而无需重新启动计算机。这提供了极大的灵活性，例如，插入一个新 U 盘时，系统可以动态加载对应的 USB 驱动模块

与 layered structure 类似，都强调模块化，但是 Modules 结构没有严格的层级限制，更加灵活

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6.6 Other Structures

Exokernel：高度简化 kernel，只负责资源分配，提供了低级的硬件操作，必须通过定制 library 供应用使用

高性能，但定制化 library 难度大，兼容性差

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Unikernel：将应用程序代码和它所依赖的、最小化的操作系统库代码在编译时静态链接在一起，生成一个单一的、自包含的镜像文件

适用于云服务，应用程序可在数十毫秒内启动

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7 Virtual Machines

分层架构是在硬件之上逐层构建软件抽象（如进程、文件）。虚拟机将这一思想发挥到极致：它构建的抽象层不再是某个单一功能（如文件系统），而是一个完整的、功能齐全的计算机系统。这个抽象层（即虚拟机）之下的一切，包括真实的硬件和宿主操作系统内核，都被视为新的“底层硬件”

核心机制：提供一个与底层裸硬件完全相同的接口。这是实现虚拟化的关键。软件（通常称为虚拟机监控器或 Hypervisor）运行在真实硬件之上，它模拟出一个或多个虚拟硬件环境（包括虚拟 CPU、虚拟内存、虚拟磁盘等）。这个虚拟环境与真实的物理硬件在接口上完全一致。因此，一个客户操作系统可以被安装并运行在这个虚拟硬件上，而它无法察觉自己并非运行在真实的物理机上

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8 Operating System Generation

操作系统被设计为能在一类机器上运行，系统必须为每个具体的计算机站点进行配置

  1. SYSGEN 程序：通过检测或询问用户来获取当前计算机硬件的具体信息，然后根据这些信息生成一个适合本机硬件的、定制化的操作系统内核或配置文件
  2. Booting（启动）：计算机从关机状态到操作系统开始运行的整个过程，其核心步骤是加载操作系统内核到内存并执行它
  3. Bootstrap program（引导程序）：存储在 ROM 中的代码。它的任务是找到存储设备上的操作系统内核，将它从磁盘读入到内存中，然后把控制权交给内核，从而启动操作系统的运行

System boot 步骤：

  1. 通电
  2. 执行固件：CPU 被设计为从一个固定的内存地址开始执行指令。这个地址指向一块 ROM，里面存储着基本的启动代码，这部分硬件相关的代码称为固件（例如 BIOS）
  3. 加载引导程序：固件中的代码执行硬件自检，然后寻找可启动的设备。找到后，它会读取设备上最开始的固定位置的内容到内存。这个引导块中包含了一个更复杂的引导程序
  4. 加载内核：现在，控制权交给了这个从磁盘加载的引导程序。它负责定位磁盘上的操作系统内核文件，将其加载到内存中，然后执行它

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