兰斯小窝

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ch2 操作系统结构 ​

2.1 操作系统服务 ​

  1. 对用户
    • 用户界面：命令行界面（CLI）、批界面、图形用户界面（GUI）
    • 程序执行
    • I/O操作
    • 文件系统操作
    • 通信
    • 错误检测
  2. 对系统
    • 资源分配
    • 统计
    • 保护和安全

2.2 操作系统的用户界面 ​

  1. 命令解释程序
    • 执行命令的两种常见的方法：
      1. 命令函解释程序本身包含代码以执行命令
      2. 由系统程序实现绝大多数命令（UNIX）
  2. 图形用户界面（占空间多一点）

2.3 系统调用（system call） ​

  1. 系统调用
    • 操作系统提供一系列的预定功能，通过一组称为系统调用接口呈现给编程人员
    • 系统调用把应用程序的请求传给内核，系统调用相应的内核函数完成所需的处理，将处理结果返回给应用程序
    • C/C++编写
    • 系统调用是内核的一部分
  2. 如何寻找相应的内核函数？
    • 实际上每一个系统调用都和一个数相关联，通过索引表找到相应的内核函数，类似于中断向量表，本质上也是一种软中断（trap）
  3. 三种常用应用程序接口（API，Application Programming Interface）
    • 适用于Windows系统的Win32 API
    • 适用于POSIX系统的POSIX API（UNIX，Linux，Mac OS）
    • 适用于Java虚拟机程序的Java API
  4. 使用API而不是用系统调用的原因
    • 如果说系统调用是内核和应用程序之间信息交流的通道，那么API就是程序和开发人员之间交流的通道，为开发人员隐藏了系统调用的实现细节，提供访问操作硬件的权力
    • 原因：API的可移植性强，系统调用操作难度较大（细节和困难）
  5. 向操作系统传递参数的三种方法
    • 通过寄存器
    • 将参数存在内存和表中，将块的地址通过寄存器来传递
    • 参数通过程序压入堆栈，通过操作系统弹出

2.4 系统调用类型 ​

  • 分为五类
  1. 进程控制
  2. 文件管理
  3. 设备管理
  4. 信息维护
  5. 通信

2.5 系统程序 ​

  1. 系统程序提供了一个方便的环境，以开发程序和执行程序
  2. 一小部分的系统程序只是系统调用的简单接口，其他的可能是相当复杂的。分为如下的几类
    • 文件管理
    • 状态信息
    • 文件修改
    • 程序语言支持和装入
    • 通信

2.6 操作系统设计和实现 ​

  1. 策略与机制
    • 策略决定做什么（what）
    • 机制决定如何做（how）

2.7 操作系统结构 ​

  1. 四种结构
    • 简单结构（Simple Structure）：早期的操作系统并没有很好的架构，有些甚至没有区分核心态和用户态，导致系统的不稳定性
    • 分层结构（Layered Structure）：将操作系统分为多个层次，最底层的是硬件（层0），最高层的为用户接口（层N），每一层都只依靠更底层的功能来实现，这样形成一个层次化结构。
      • 优点：简化了构造和调试
      • 弊端：耦合性高，层次之间很难界定；效率较低，一个系统调用可能要陷入多个层再返回，增加开销
    • 微内核（Microkernels）
    • 模块（Module）：使用面对对象的特点，将各个功能模块化，每个模块之间采用接口进行通讯，必要的时候可以将一部分的内容加载到内核之中进行操作。类似于层次结构，但是模块之间没有上下层依赖关系，模块之间可以相互调用，更加灵活；类似于微内核，但必要的时候会将内容加载到内核之中，比微内核更有效率。 许多操作系统采用混合架构
  2. 微内核
    • 将所有非基本的部分从内核中移走，并将他们实现为系统程序或用户程序，从而得到更小的内核
    • 微内核通常包括最小的进程和内存管理以及通信功能
    • 用户程序和系统服务（运行在用户空间的）通过微内核以消息传递的形式进行通信，并不会直接交互
  3. 微内核的优缺点
    • 优点：便于扩充操作系统；操作系统给容易移植；更好的安全性和可靠性
    • 缺点：由于系统功能总开销的增加二导致系统性能的下降（各个服务之间缺少通信，只能依靠微内核的信息传递，导致效率下降）

2.8 虚拟机 ​

  1. 核心思想
    • 虚拟机的核心思想就是将一套硬件设备抽象成多套。采用CPU调度和虚拟内存的技术，制造每一个进程都有自己的处理器和内存的假象。
  2. 虚拟机的优点
    • 对于操作系统设计员，可以在虚拟机上进行系统开发，而不必进行中断，停止当前操作系统；对于用户来说，每个虚拟机完全独立于其他虚拟机，所以不同系统资源有完全的保护，没有安全问题
  3. 虚拟机资源共享的两种实现方法
    1. 可以通过共享小型磁盘来共享文件（模拟共享物理磁盘，但通过软件实现）
    2. 可以通过定义一个虚拟机的网络（模拟物理通信网络，但通过软件实现）
  4. 虚拟机实例 JVM，VMware，VirtualBox，Cygwin（基于Windows的Unix模拟环境）

2.9 系统，启动！（系统启动 ​

  1. 生成操作系统以后，它必须要为硬件所使用
    • 绝大多数的计算机系统都有一小块代码，称为引导程序或者引导装载程序，这段代码能定位操作系统内核，将他装入内存，开始执行

2.10 例题 ​