系统设计---分层，分级，分块

最新推荐文章于 2024-09-16 13:09:47 发布

linuxcode_turing

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文章标签： behavior solaris linux 硬件驱动 url 网络

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/linuxcode_turing/article/details/5302456

本文探讨了计算机系统设计中的三种核心方法：分层、分级和分块。分层确保每层提供机制，策略则由上层决定；分级允许各部分独立运作，策略依据需求灵活配置；分块则是将功能模块化，增强系统的可维护性和扩展性。

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在设计一个可用的系统时，往往第一步是设计结构。纵观计算机的发展史，横贯计算机科学的不同领域，有三个方法是很重要的，那就是：分层，分级，分块的思想方法。

记得上高中的时候，我们的物理老师老隔就给我们传授动态的测试方法，当时我们设计一个电路，老隔就给我们讲，要想知道设计方案如何，最好的方法就是“ 让电流流一流” ，现在工作了，终于明白了这是真的，为了说明问题，关键时刻就让“ 数据流一流” 吧。另外说一下策略和机制，机制说明了事情发生的可能性，而策略描述了事物如何发生。

三个方法有个共同点，就是要达到各司其职，高内聚低耦合的目的，最终方便管理，方便升级，方便替换。但是也有不同的地方。

首先，分层是一个纵向的概念，它承接地将一个过程分为了不同的子过程，每个层次使用下层提供的服务，并且对这些服务进行重新组合和过程分发，为上层提供一个统一的接口，从而屏蔽掉下层的异构体，每一层为上一层提供机制，而策略由上一层提供。注意，分层不是功能意义上的，也就是说，如果某个层次缺失或出错的话，整个过程将失败。作为例子，我们来看一下TCP/IP 模型和现代宏内核操作系统模型。

在TCP/IP 模型中，协议族把一个传输过程的路径分为5 个层次，分别为物理层，链路层，网络层，传输层，网络层，从前到后，前面的为后面的屏蔽更前面的，为后面提供传输机制和统一的接口，数据发送时从后到前经过每个层次都要打标记，策略通过填写协议字段来注册，接收是个相反的过程。如果说某一层比如网络层出错了，那么数据流就会在该层断裂，无法继续传输下去了。这么个设计方法很好，比如应用程序员只用写好应用程序并且提供好具体的策略（比如是tcp 还是udp ，优先级情况等等）就可以了，同样的，协议栈实现者也不用管底层是铜线还是光纤，网络层实现者不用管下面是X.25 还是以太网，而只需要提供策略并调用下层的接口就可以了。

另外一个例子，宏内核操作系统，但为什么是宏内核操作系统而不提微内核呢，其实微内核恰恰是我们讨论的另一个问题的例子-- 分块。作为宏内核系统，系统本身就是一个分层的大结构，应用程序进行系统调用，比如write ，调用sys_write ，然后数据到了系统调用层，接着就到了虚拟文件系统层，实际上虚拟文件系统也是一个分层结构，为了向上提供一个统一的文件操作接口，再往下到了设备无关驱动（gendisk ）层，然后到达硬件驱动，最终写入硬件，一层一层往下，下层提供了机制使得上层的策略得以实施。作为一个补充，用户程序库的实现也是这个道理，它屏蔽了不同操作系统的实现细节，提供了用户操作的基本机制，而最终的策略都是应用程序员通过代码传往下层的。

分层的思想很博大精深，远远不止上面这些，但重点基本都说到了。机制和策略的思想和分层的想法实际上是两个独立的思想，我觉得事实上可以这么干，就将它们结合了。

现在说一下分级的思想，它在本质上也是一个纵向的概念，也是将一个过程分为不同的子过程，但是它却不是承接的，也就是说每个过程都是独立的，可有可无的，这就是全部的机制，具体策略就看什么应用，怎么配置，以及怎么实施了。作为例子我就说一下linux 的流量控制系统和solaris 的调度类。

linux 的流控做的真的不错，它将流控分为了3 个要素，一个是排队规则，一个是过滤器，一个是类，其中的类中可以实现新的排队规则，然后是过滤器，依次类推，这就使得一个要素按照尺度和当前上下文情况实现多重受控，比如说可以设计一个设备相关的调度器，一个设备无关的调度器，后者规定入队包的个数而不管具体属于哪个设备，而前者在设备间竞争或协作，作为更现实的例子，考虑县里给了本县100 个生育指标，而本县有10 个村，县里只给了100 个，100 个指标怎么在村里分配是县里的决策，比如王村最优先给50 个，霍家庄给15 个... ，但是王村的50 个指标怎么在村内分配，县里就不管了，而交给了村支部，这是一个现实中分级调度的一个例子。

现在考虑一下solaris 的调度类，实际上理解了上面那个县里发生育指标的例子后就不用看了，道理是一样的。线程先按优先级分到特定调度类里，然后按照调度类的规则进行调度（为了支持容器和区域，好几个调度类的全局优先级是重合的，这里仅讲基本思想，应用请查文档），现在linux 的新内核也支持调度类了。

好了，最后一个是分块，所谓分块就是将不同功能区分开来，独立成模块，这个是纯粹策略意义上的概念，因为没有什么统一机制可言，怎么分块全看个人，人就是机制，而且分块比分层和分级更加抽象。作为例子，考虑一下微内核操作系统和面向对象系统。

微内核的内核仅仅提供最基本的机制，而所有策略和非最重要机制都留给进程模块，也就是说，宏内核是像栈一样的一摞子的话，微内核就是把这一摞子竖起来的的一排。面向对象的理论也是这样，当然它更复杂，涉及到了系统设计中的另外的概念，比如抽象，封装之类的，可是那只是过程，作为抽象封装的结果，一个模块建立了，它是高度独立内聚的，只能通过消息传递来相互通信。

这三个思想就是这么回事，如果读一下linux 和mini x 的代码，我相信比什么都强！

作为结束，其实还远远没有结束