前言

✨本篇为博主 考研操作系统 的第四篇：1.4 操作系统结构

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笔记

       分层法：分层法把操作系统分成若干层，最底层（层0）是硬件，最高层（层N）是用户接口，每层只能调用紧邻它的低层的功能和服务（单向依赖）；

优点：

1.便于调试和验证：某层出错应在这一层上，因为比它低的已经调试好了。

2.易扩充易维护：增删改某一层时，只要不影响层直接的接口，就不会影响其他层。

缺点：1.合理定义各层困难

         2.效率较差

    模块化：按照功能划分为具有一定独立性的模块，每一个模块具有某方面的管理功能，规定好各模块间的接口，使得各模块之间能够通过接口进行通信，各模块还可以继续细分为子模块，并规定子模块之间的接口，这种设计方法被称为：模块－接口法；

 划分模块的时候如果划分的太小，会降低模块本身复杂性但是使得各模块之间联系过多导致系统混乱；分的过大会增加模块内部复杂性；划分模块的时候需要考虑模块的独立性问题，越独立，模块的交互越少，结构越清晰

衡量模块独立的指标：

       1.内聚性：模块内部各部分间联系的紧密程度，内聚性越高，独立性越好；

       2.耦合度：模块间相互联系和相互影响的程度，耦合度越低，独立性越好。

模块化的优点：

       1.提高操作系统设计的正确性、可理解性和可维护性；

       2.增强了操作系统的可适应性；

       3.加速了操作系统的开发过程。

 模块化的缺点：

       1.模块间的接口规定难以满足对接口的实际需求；

       2.各模块设计者齐头并进，每个决定无法建立在上一个已验证的正确决定基础上，无法找到一个可靠的决定顺序。

  从操作系统的内核架构来划分，可分为宏内核和微内核。

   宏内核：也称单内核（大内核）；将系统的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在核心态；具有无可比拟的性能优势（高性能）；随着体系结构和应用需求的不断发展，需要操作系统提供的服务越来越复杂，操作系统的设计规模急剧增长；从操作系统的发展来看，宏内核取得了绝对地优势；Windows，Android，iOS，macOS，Linux等，都是基于宏内核的构架；目前主流的操作系统不是纯粹的宏内核构架，而是集微内核架构的优点后糅合而成的混合内核。

  微内核：微内核构架，是指将内核中最基本的功能保留在内核；被移出内核的操作系统代码根据分层的原则被划分为若干服务，它们的执行相互独立，交互借助于微内核进行通信；微内核结构将操作系统分为两大类：微内核和多个服务器；

       微内核通常包括：

       1.与硬件处理紧密相关的部分；

       2.一些较基本的功能；

       3.客户和服务器之间的通信。

       操作系统中的绝大部分功能都放在微内核外的一组服务器（进程）中实现；客户与服务器之间是借助微内核提供的信息传递机制来实现交互的；在微内核结构中，只有微内核运行在内核态，其余模块均运行在用户态，这样，一个模块的崩溃并不会影响整个系统的崩溃。

       微内核结构利用 “机制与策略分离” 来构造OS结构，将机制部分及与硬件紧密相关的部分放入微内核（属于机制的很小一部分放入微内核，而绝大部分放入微内核外的各种服务器中实现）。

微内核有如下功能：

       1.进程（线程）管理：进程（线程）之间的通信功能是微内核OS最基本的功能，进程的切换，进程的调度，多处理机之间的同步功能；但是对于对用户进程如何分类，以及优先级的确定方式这类的策略问题，放入到微内核之外的进程管理服务器中；

       2.低级存储器管理：只配置最基本的低级存储器管理机制，如实现将逻辑地址转变为物理地址等的页表机制和地址变换机制；但是对于实现虚拟存储器管理的策略，需要放在微内核外的存储器管理服务器中；

       3.中断和陷入处理：微内核OS将与硬件紧密相关的那一小部分放入微内核，此时的微内核的主要功能是捕获所发生的中断和陷入事件，并进行中断响应处理，在识别中断或陷入的事件后，再发送给相关的服务器来处理，故中断和陷入处理也应放入微内核。

微内核的特点：

1.扩展性和灵活性；

2.可靠性和安全性；

3.可移植陷性：CPU和I／O硬件有关的代码均放在内核中，其他各种服务器均与硬件无关；

4.分布式计算：客户和服务器之间、服务器和服务器之间的通信采用消息传递机制。

  微内核结构的主要问题是性能问题，因为需要频繁地在核心态和用户态之间进行切换，操作系统的执行开销偏大，可以将那些频繁使用的系统服务移回内核，从而保证系统性能，但是这又会使得微内核的容量明显的增大。

   虽然宏内核在桌面操作系统中取得了绝对地胜利，但是微内核在实时、工业、航空及军事应用中特别流行。

 外核：对机器进行分区，给每个用户整个资源的一个子集；在底层，一中称为外核的程序在内核态中运行；外核的任务是为虚拟机分配资源，并检查使用这些资源的企图；每个用户层的虚拟机可以运行自己的操作系统，但只能使用已经申请并获得分配的那部分资源；

 外核机制的优点：

 1.减少了映射层：外核只需要记录已经分配给各个虚拟机的有关资源即可；

 2.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。

习题总结

本节的习题总结见：考研操作系统【1.5 操作系统引导与虚拟机】