1.5 操作系统的结构

1.5 操作系统的结构

操作系统结构是指操作系统各个组成部分的组织方式和相互关系。随着计算机技术的发展，操作系统结构经历了从简单到复杂、从单一到模块化的演进过程。

简单结构（Monolithic Structure）

MS-DOS结构特点

基本特征 MS-DOS（Microsoft Disk Operating System）是早期个人计算机上广泛使用的操作系统，采用了最简单的操作系统结构。

结构组成

应用程序
|
系统程序 (COMMAND.COM)
|
MS-DOS设备驱动程序
|
ROM BIOS设备驱动程序
|
硬件

各层功能

• 应用程序层：用户编写的各种应用软件
• 系统程序层：命令解释器，提供用户界面
• MS-DOS驱动程序层：操作系统提供的设备驱动
• ROM BIOS层：基本输入输出系统，硬件抽象层
• 硬件层：物理硬件设备

设计特点

• 直接硬件访问：程序可以直接调用ROM BIOS或直接访问硬件
• 最小的结构：为了适应8086处理器的内存限制
• 功能有限：没有硬件保护，没有多任务支持
• 程序间无隔离：应用程序可以修改系统代码

早期Unix结构

基本架构 早期的Unix系统也采用类似的简单结构，但比MS-DOS更加复杂和完善。

用户程序
|
系统调用接口
|
内核 (Kernel)
- 文件系统
- CPU调度
- 内存管理  
- 其他系统功能
|
硬件

特点分析

• 内核集中化：所有系统功能都集中在一个大内核中
• 效率较高：函数调用开销小，执行速度快
• 结构简单：便于理解和实现
• 维护困难：功能耦合度高，修改影响面大

优缺点分析

优势

1. 性能优异

   • 函数调用开销小
   • 无需复杂的进程间通信
   • 直接访问硬件，效率高

2. 实现简单

   • 设计和编码相对容易
   • 调试和测试相对简单
   • 适合资源受限的环境

3. 功能集中

   • 所有功能在同一地址空间
   • 数据共享方便
   • 控制流程清晰

劣势

1. 可靠性差

   • 任何模块的错误都可能导致系统崩溃
   • 缺乏有效的保护机制
   • 难以隔离故障

2. 可维护性差

   • 代码耦合度高
   • 修改一个功能可能影响其他功能
   • 难以进行模块化开发

3. 可扩展性差

   • 添加新功能困难
   • 不利于系统升级
   • 移植性较差

4. 安全性低

   • 缺乏访问控制
   • 程序间无有效隔离
   • 容易受到恶意攻击

分层结构（Layered Structure）

THE系统的分层思想

历史背景 THE（Technische Hogeschool Eindhoven）操作系统由荷兰学者Dijkstra在1968年设计，是第一个采用严格分层结构的操作系统。

分层设计原理 分层结构将操作系统组织成若干层次，每一层只能调用比它更低层次的服务，不能调用同层或更高层的服务。

THE系统的层次结构

第5层: 用户程序
第4层: 缓冲管理
第3层: 操作员-进程通信
第2层: 内存管理
第1层: CPU调度
第0层: 硬件

各层详细功能

第0层：硬件层

• 提供基本的硬件功能
• 中断处理机制
• 基本的I/O操作

第1层：CPU调度层

• 实现多道程序设计
• 进程切换和调度
• 时间片管理
• 为上层提供虚拟处理器

第2层：内存管理层

• 内存分配和回收
• 地址转换
• 内存保护
• 为上层进程提供虚拟内存

第3层：操作员-进程通信层

• 管理控制台输入输出
• 操作员与系统的交互
• 消息传递机制

第4层：缓冲管理层

• 管理I/O缓冲区
• 处理I/O请求队列
• 优化I/O操作效率

第5层：用户程序层

• 用户应用程序
• 系统实用程序
• 编译器和其他工具

分层结构的设计原则

单向依赖原则

• 每层只能调用下层提供的服务
• 不允许跨层调用
• 不允许向上调用

功能封装原则

• 每层有明确的功能边界
• 层间通过定义良好的接口通信
• 隐藏实现细节

抽象层次原则

• 从下到上抽象程度逐渐提高
• 下层为上层提供服务抽象
• 上层不需要了解下层实现细节

现代分层系统实例

网络协议栈

应用层 (HTTP, FTP, SMTP)
传输层 (TCP, UDP)
网络层 (IP)
数据链路层 (Ethernet)
物理层 (硬件)

操作系统内核分层

系统调用接口
文件系统层
内存管理层
进程管理层
设备驱动层
硬件抽象层
硬件层

优缺点分析

优势

1. 模块化程度高

   • 每层功能独立
   • 便于分工开发
   • 降低系统复杂度

2. 易于调试和维护

   • 可以逐层测试
   • 错误定位容易
   • 修改影响范围有限

3. 易于理解

   • 结构清晰明了
   • 层次关系明确
   • 便于教学和学习

4. 可移植性好

   • 只需修改底层
   • 上层代码可重用
   • 便于系统移植

劣势

1. 性能开销大

   • 多层调用开销
   • 参数传递成本高
   • 执行效率相对较低

2. 设计困难

   • 层次划分困难
   • 功能分配复杂
   • 需要仔细的系统设计

3. 灵活性受限

   • 严格的调用限制
   • 难以处理跨层操作
   • 某些优化难以实现

微内核结构（Microkernel Structure）

微内核的基本思想

核心理念 微内核结构将操作系统分为两部分：运行在内核态的微内核和运行在用户态的系统服务。微内核只保留最核心、最基本的功能，其他系统服务都移到用户空间。

设计哲学

• 最小化内核：内核只包含绝对必需的功能
• 用户态服务：大部分系统功能在用户态实现
• 消息传递：通过消息传递实现通信
• 模块化设计：各服务模块相对独立

微内核的核心功能

必须在内核态的功能

1. 进程和线程管理

   • 基本的进程创建和销毁
   • 线程调度和切换
   • 上下文切换

2. 内存管理

   • 基本的内存分配
   • 地址空间管理
   • 页表管理

3. 进程间通信（IPC）

   • 消息传递机制
   • 同步原语
   • 通信通道管理

4. 基本I/O

   • 中断处理
   • 基本的设备访问
   • DMA控制

移至用户态的服务

• 文件系统
• 设备驱动程序
• 网络协议栈
• 图形用户界面
• 安全服务

微内核系统架构

用户程序
|
+-- 文件系统服务 -- 设备驱动服务 -- 网络服务 --+
|                                              |
+--------------- 消息传递 ---------------------+
|                                              |
微内核 (进程管理、内存管理、IPC、中断处理)
|
硬件

消息传递机制

消息传递的重要性 在微内核系统中，由于各服务运行在不同的地址空间，必须通过消息传递进行通信。

消息传递过程

1. 发送消息

   send(destination, message);
   

2. 接收消息

   receive(source, message);
   

3. 消息路由

   • 微内核负责消息的路由
   • 确保消息正确传递
   • 提供同步和异步通信

消息类型

• 同步消息：发送方等待回复
• 异步消息：发送后立即返回
• 远程过程调用（RPC）：模拟函数调用

典型微内核系统

Mach系统

• 卡内基梅隆大学开发
• 影响了许多后续系统
• MacOS X的Darwin内核基于Mach

主要特点

• 任务和线程概念
• 端口和消息传递
• 虚拟内存管理
• 机器无关性

QNX系统

• 商业实时微内核系统
• 广泛应用于嵌入式领域
• 高实时性和可靠性

核心特征

• 消息传递是唯一的IPC机制
• 所有服务都是独立进程
• POSIX兼容
• 网络透明性

Windows NT内核

• 混合内核架构（微内核+单内核）
• 关键服务在内核态
• Win32子系统在用户态

微内核的优缺点

优势

1. 可靠性高

   • 服务故障不会导致系统崩溃
   • 故障隔离效果好
   • 可以重启失效服务

2. 安全性强

   • 服务运行在用户态
   • 权限分离明确
   • 攻击面减小

3. 可扩展性好

   • 易于添加新服务
   • 服务可以动态加载
   • 支持分布式扩展

4. 可移植性强

   • 硬件相关代码少
   • 便于移植到新平台
   • 架构独立性好

5. 易于调试

   • 服务独立运行
   • 可以单独调试服务
   • 问题定位准确

劣势

1. 性能开销大

   • 消息传递开销高
   • 用户态/内核态切换频繁
   • 系统调用成本高

2. 设计复杂

   • 消息传递机制复杂
   • 服务间协调困难
   • 系统设计挑战大

3. 开发难度高

   • 需要重新设计系统服务
   • 调试和测试复杂
   • 开发周期长

模块化结构（Modular Structure）

现代操作系统的模块化设计

基本概念 模块化结构将操作系统设计为一组相对独立的模块，这些模块可以动态加载和卸载，提供了灵活性和可扩展性。

设计原则

• 高内聚，低耦合：模块内部功能相关，模块间依赖最小
• 接口标准化：模块间通过标准接口通信
• 动态配置：支持运行时加载和卸载模块
• 层次化组织：模块按功能层次组织

Linux内核模块化架构

Linux内核结构

用户空间
|
系统调用接口
|
+-- 进程管理 -- 内存管理 -- 文件系统 -- 网络 --+
|                                              |
+-- 设备驱动 -- 架构相关代码 -- 可加载模块 ----+
|                                              |
硬件抽象层
|
硬件

核心模块

1. 进程管理模块

   • 进程创建和销毁
   • 调度算法实现
   • 信号处理

2. 内存管理模块

   • 虚拟内存管理
   • 页面分配器
   • 内存映射

3. 文件系统模块

   • VFS（虚拟文件系统）
   • 具体文件系统实现
   • 缓存管理

4. 网络模块

   • 网络协议栈
   • 套接字接口
   • 网络设备驱动

可加载内核模块（LKM）

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>

static int __init hello_init(void) {
    printk(KERN_INFO "Hello, World!\n");
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "Goodbye, World!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("A simple hello world module");

模块管理命令

# 加载模块
insmod hello.ko

# 查看已加载模块
lsmod

# 卸载模块
rmmod hello

# 查看模块信息
modinfo hello.ko

Windows驱动程序模型

Windows驱动架构

• 内核模式驱动程序：运行在内核态的驱动
• 用户模式驱动程序：运行在用户态的驱动
• 即插即用管理器：管理设备和驱动程序

驱动程序类型

1. 总线驱动程序：管理总线控制器
2. 功能驱动程序：控制具体设备
3. 筛选驱动程序：提供附加功能

模块化的实现技术

动态加载技术

1. 符号解析

   • 解析模块中的外部符号
   • 链接到内核符号表
   • 处理符号依赖关系

2. 重定位

   • 调整模块中的地址引用
   • 适应加载时的内存地址
   • 修正跳转和调用指令

3. 内存管理

   • 为模块分配内存空间
   • 设置合适的内存保护
   • 管理模块的生命周期

接口标准化

// 设备驱动程序接口示例
struct device_driver {
    int (*probe)(struct device *dev);
    int (*remove)(struct device *dev);
    int (*suspend)(struct device *dev);
    int (*resume)(struct device *dev);
};

依赖管理

• 模块依赖关系描述
• 自动加载依赖模块
• 卸载时检查依赖关系

优缺点分析

优势

1. 灵活性高

   • 可以根据需要加载功能
   • 支持系统定制
   • 便于功能扩展

2. 可维护性好

   • 模块独立开发和测试
   • 便于版本管理
   • 易于排查问题

3. 资源利用率高

   • 按需加载，节省内存
   • 不需要的功能可以不加载
   • 支持热插拔

4. 开发效率高

   • 并行开发不同模块
   • 代码重用率高
   • 便于团队协作

劣势

1. 复杂性增加

   • 模块管理机制复杂
   • 依赖关系复杂
   • 调试困难

2. 性能开销

   • 动态加载开销
   • 间接调用开销
   • 内存碎片化

3. 安全风险

   • 恶意模块威胁
   • 模块验证困难
   • 权限控制复杂

混合结构（Hybrid Structure）

现代操作系统的混合特征

混合结构的必然性 现代操作系统通常不采用单一的结构模式，而是结合多种结构的优点，形成混合结构。

混合的原因

• 性能和安全的平衡
• 兼容性要求
• 工程实践的考虑
• 历史演进的结果

Windows NT架构分析

Windows NT系统架构

用户模式
+-- Win32应用程序 -- POSIX应用程序 -- OS/2应用程序 --+
|                                                        |
+-- Win32子系统 -- POSIX子系统 -- OS/2子系统 -----------+
|                                                        |
+-- 安全子系统 -- 其他环境子系统 ----------------------+

内核模式
+-- 系统服务 -- I/O管理器 -- 对象管理器 -- 安全管理器 --+
|                                                        |
+-- 进程管理器 -- 内存管理器 -- 缓存管理器 --------------+
|                                                        |
+-- 硬件抽象层(HAL) -- 设备驱动程序 -------------------+
|                                                        |
硬件

架构特点

1. 微内核思想

   • 环境子系统在用户态
   • 消息传递机制
   • 模块化设计

2. 单内核实现

   • 关键服务在内核态
   • 提高性能
   • 减少切换开销

3. 分层结构

   • 清晰的层次关系
   • 硬件抽象层
   • 服务层次化

核心组件

• 执行体（Executive）：内核模式的系统服务
• 内核（Kernel）：最底层的调度和同步机制
• 硬件抽象层（HAL）：隐藏硬件差异
• 设备驱动程序：硬件设备的接口

macOS/Darwin架构

Darwin系统架构

应用程序 (Cocoa, Carbon, Java, POSIX)
|
+-- 应用框架 -- 图形服务 -- 核心服务 --+
|                                      |
+-- BSD层 (系统调用, POSIX API) -------+
|                                      |
+-- I/O Kit -- 内核扩展 ---------------+
|                                      |
Mach微内核 (消息传递, 内存管理, 调度)
|
硬件

混合特征

• Mach微内核：提供基础服务
• BSD层：提供Unix兼容性
• I/O Kit：面向对象的驱动框架
• 内核扩展：可加载的内核模块

Linux内核的混合特性

Linux的结构特点 虽然Linux通常被称为单内核系统，但它实际上融合了多种结构特点：

1. 单内核基础

   • 核心功能在内核空间
   • 高效的系统调用
   • 紧密的功能集成

2. 模块化扩展

   • 可加载内核模块
   • 动态功能扩展
   • 灵活的配置选项

3. 微内核思想

   • 用户态辅助进程
   • 消息队列机制
   • 模块化设计

4. 分层组织

   • 清晰的抽象层次
   • 硬件抽象层
   • 子系统分层

容器和虚拟化架构

容器技术架构

容器应用 A | 容器应用 B | 容器应用 C
|          |          |
容器运行时 (Docker, containerd)
|
容器编排层 (Kubernetes)
|
宿主操作系统 (Linux)
|
硬件/虚拟化层

虚拟化架构

虚拟机A     虚拟机B     虚拟机C
客户OS      客户OS      客户OS
|           |           |
+-- 虚拟化层 (Hypervisor) --+
|                           |
宿主操作系统 (可选)
|
硬件

云原生操作系统

特点

• 为容器优化
• 最小化安装
• 自动更新机制
• 集群管理集成

代表系统

• Container Linux：专为容器设计的Linux发行版
• RancherOS：Docker作为系统级进程
• Atomic Host：Red Hat的容器主机OS

混合结构的优势

性能优化

• 关键路径在内核态执行
• 减少不必要的切换开销
• 针对性能热点优化

功能丰富

• 结合不同结构的优点
• 满足多样化需求
• 保持系统完整性

兼容性保证

• 支持多种应用环境
• 向后兼容性
• 标准接口支持

工程实用性

• 平衡理论和实践
• 渐进式改进
• 降低开发风险

未来发展趋势

更加模块化

• 功能组件化
• 插件式架构
• 动态重配置

智能化管理

• AI辅助优化
• 自适应调整
• 预测性维护

安全性增强

• 零信任架构
• 硬件安全支持
• 容器安全隔离

云原生集成

• 服务网格集成
• 边缘计算支持
• 多云管理能力

结构选择的权衡

设计考虑因素

性能要求

• 响应时间敏感 → 倾向单内核
• 吞吐量优先 → 可考虑分层结构
• 实时性要求 → 微内核或混合结构

可靠性要求

• 高可用性 → 微内核结构
• 故障隔离 → 模块化结构
• 系统稳定性 → 成熟的混合结构

安全性要求

• 高安全等级 → 微内核结构
• 权限分离 → 分层或模块化结构
• 攻击面最小化 → 精简内核

开发和维护

• 快速开发 → 简单结构
• 团队协作 → 模块化结构
• 长期维护 → 分层或混合结构

现代趋势

微服务化

• 系统功能服务化
• 容器化部署
• API驱动的架构

边缘计算适配

• 轻量化内核
• 快速启动
• 资源约束优化

人工智能集成

• 智能调度
• 自适应优化
• 预测性管理

通过对操作系统各种结构的深入理解，我们可以更好地理解现代操作系统的设计思想和实现方式，为选择和使用操作系统提供理论基础。