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操作系统结构有哪些

2020年03月20日 系统 ⁄ 共 2303字 ⁄ 字号 暂无评论

 下面我们会探讨操作系统的几种结构,主要包括单体结构、分层系统、微内核、客户-服务端系统、虚拟机和外核等。

  单体系统

  到目前为止,在大多数系统中,整个系统在内核态以单一程序的方式运行。整个操作系统是以程序集合来编写的,链接在一块形成一个大的二进制可执行程序。使用此技术时,如果系统中的每个过程都提供了前者所需的一些有用的计算,则它可以自由调用任何其他过程。在单体系统中,调用任何一个所需要的程序都非常高效,但是上千个不受限制的彼此调用往往非常臃肿和笨拙,而且单体系统必然存在单体问题,那就是只要系统发生故障,那么任何系统和应用程序将不可用,这往往是灾难性的。

  在单体系统中构造实际目标程序时,会首先编译所有单个过程(或包含这些过程的文件),然后使用系统链接器将它们全部绑定到一个可执行文件中

  对于单体系统,往往有下面几种建议:

  需要有一个主程序,用来调用请求服务程序;

  需要一套服务过程,用来执行系统调用;

  需要一套服务程序,用来辅助服务过程调用。

  在单体系统中,对于每个系统调用都会有一个服务程序来保障和运行。需要一组实用程序来弥补服务程序需要的功能,例如从用户程序中获取数据。可将各种过程划分为一个三层模型

  除了在计算机初启动时所装载的核心操作系统外,许多操作系统还支持额外的扩展。比如 I/O 设备驱动和文件系统。这些部件可以按需装载。在 UNIX 中把它们叫做 共享库(shared library),在 Windows 中则被称为 动态链接库(Dynamic Link Library,DLL)。他们的扩展名为.dll,在 C:\Windows\system32 目录下存在 1000 多个 DLL 文件,所以不要轻易删除 C 盘文件,否则可能就炸了哦。

  分层系统

  分层系统使用层来分隔不同的功能单元。每一层只与该层的上层和下层通信。每一层都使用下面的层来执行其功能。层之间的通信通过预定义的固定接口通信。

  分层系统是由 E.W.Dijkstar 和他的学生在荷兰技术学院所开发的 THE 系统。

  把上面单体系统进一步通用化,就变为了一个层次式结构的操作系统,它的上层软件都是在下层软件的基础之上构建的。该系统分为六层,如:操作员;用户程序;输入/输出管理;操作员-进程通信;存储器和磁鼓管理;处理器分配和多道程序编程。

  处理器在 0 层运行,当中断发生或定时器到期时,由该层完成进程切换;在第 0 层之上,系统由一些连续的进程组成,编写这些进程时不用再考虑在单处理器上多进程运行的细节。内存管理在第 1 层,它分配进程的主存空间。第 1 层软件保证一旦需要访问某一页面,该页面必定已经在内存中,并且在页面不需要的时候将其移出。

  第 2 层处理进程与操作员控制台(即用户)之间的通信。第 3 层管理 I/O 设备和相关的信息流缓冲区。第 4 层是用户程序层,用户程序不用考虑进程、内存、控制台或 I/O 设备管理等细节。系统操作员在第 5 层。

  微内核

  在分层方式中,设计者要确定在哪里划分 内核-用户 的边界。传统上,所有的层都在内核中,但是这样做没有必要。事实上,尽可能减少内核态中功能可能是更好的做法。因为内核中的错误很难处理,一旦内核态中出错误会拖累整个系统。

  所以,为了实现高可靠性,将操作系统划分成小的、层级之间能够更好定义的模块是很有必要的,只有一个模块 --- 微内核 --- 运行在内核态,其余模块可以作为普通用户进程运行。由于把每个设备驱动和文件系统分别作为普通用户进程,这些模块中的错误虽然会使这些模块崩溃,但是不会使整个系统死机。

  在内核的外部,系统的构造有三层,它们都在用户态下运行,最底层是设备驱动器。由于它们都在用户态下运行,所以不能物理的访问 I/O 端口空间,也不能直接发出 I/O 命令。相反,为了能够对 I/O 设备编程,驱动器构建一个结构,指明哪个参数值写到哪个 I/O 端口,并声称一个内核调用,这样就完成了一次调用过程。

  位于用户态的驱动程序上面是服务器层,包含有服务器,它们完成操作系统的多数工作。由一个或多个文件服务器管理着文件系统,进程管理器创建、销毁和管理进程。服务器中有一个特殊的服务器称为 再生服务器(reincarnation server),它的任务就是检查服务器和驱动程序的功能是否正确,一旦检查出来错误,它就会补上去,无需用户干预。这种方式使得系统具有可恢复性,并具有较高的可靠性。

  微内核中的内核还具有一种 机制 与 策略 分离的思想。比如系统调度,一个比较简单的调度算法是,对每个进程赋予一个优先级,并让内核执行具有最高优先级的进程。这里,内核机制就是寻找最高的优先级进程并运行。而策略(赋予进程优先级)可以在用户态中的进程完成。在这种模式中,策略和机制是分离的,从而使内核变得更小。

  客户-服务器模式

  微内核思想的策略是把进程划分为两类:服务器,每个服务器用来提供服务;客户端,使用这些服务。这个模式就是所谓的 客户-服务器模式。

  客户-服务器模式会有两种载体,一种情况是一台计算机既是客户又是服务器,在这种方式下,操作系统会有某种优化;但是普遍情况下是客户端和服务器在不同的机器上,它们通过局域网或广域网连接。

  客户通过发送消息与服务器通信,客户端并不需要知道这些消息是在本地机器上处理,还是通过网络被送到远程机器上处理。对于客户端而言,这两种情形是一样的:都是发送请求并得到回应。

  越来越多的系统,包括家里的 PC,都成为客户端,而在某地运行的大型机器则成为服务器。许多 web 就是以这种方式运行的。一台 PC 向某个服务器请求一个 Web 页面,服务器把 Web 页面返回给客户端,这就是典型的客服-服务器模式。

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