第五讲 操作系统的构件和结构

教学目标
◦ 让学生理解操作系统结构设计的含义 ◦ 让学生深刻理解操作系统的主要构件的概念和含义 ◦ 让学生掌握操作系统内核的结构模型及其优缺点

教学重点
◦ ◦ ◦ ◦ 内核的概念、作用、分类 各种内核的实现方式及优缺点 进程的概念 线程的概念

教学难点
◦ 进程和线程的概念 ◦ 机制与策略分离的含义


类程用于管理私有资源，对类程的调用表示对私有 资源的操作。它仅能被进程及起源于同一进程的其 它类程或管程嵌套调用链所调用。其本身也可以调 用其它类程或管程。类程可以看作子程序概念的扩 充。 采用进程、管程、类程实现的操作系统中，进程执 行过程中若请求使用共享资源，可以调用管程；若 要控制私有资源操作，可以调用类程，这样便于使 用高级语言来书写操作系统。
指令和系统调用组成的新的指令系统。
在策略与机制分离的操作系统 中，解决应用问题均可分成两 部分：“提供及实现确定的功 能(机制)，将机制作为系统的 可信软件来实现”和“如何使 用这些功能(策略)，可在不可 信的环境中定义策略”。
例子1：调度机制与调度策略的分离 例子2：buffer cache实现机制与buffer cache 替换策略 机制与策略分离的原则： (1)机制由OS实现，策略留给用户完成； (2)机制放在底层，策略放在高层； (3)机制集中在少数模块，策略拟散布在多处。




整体式结构 (1)设计思想和步骤 (2)缺点 和优点 (3)早期(IBM)操作系统使用 层次式结构 (1)设计思路 (2)缺点 和优点 (3)THE多道程序设计系统中第一次提出操作系 统层次结构设计方法
操作系统的整体式结构又叫模块组合法，是基于结构化程 序设计的一种软件结构设计方法。早期操作系统(如IBM 操作系统)采用这种结构设计方法。 1.主要设计思想和步骤 把模块作为操作系统的基本单位，按照功能需要而不是根 据程序和数据的特性把整个系统分解为若干模块（还可再 分成子模块），每个模块具有一定独立功能，若干个关联 模块协作完成某个功能。明确各个模块之间的接口关系， 各个模块间可以不加控制，自由调用；然后，分别设计、 编码、调试各个模块。最后，把所有模块连结成一个完整 的系统。




进程是并发程序设计的一个工具，并发程序设计支 撑了多道程序设计。 进程概念使OS结构变得清晰，主要表现在： 1）一个进程到另一个进程的控制转移由进程调度机 构统一管理，不能杂乱无章，随意进行。 2）进程间的信号发送、消息传递和同步互斥由通 信及同步机制完成，进程无法有意或无意破坏其它 进程的数据。每个进程相对独立，相互隔离，提高 了系统的安全性和可靠性。 3）进程结构较好刻画了系统的并发性，动态地描 述出系统的执行过程，具有进程结构的操作系统， 结构清晰、整齐划一，可维护性好。


内核 进程 线程 类程 管程
1)什么是内核? 2)内核分类：微内核和单内核。 3)Linux 是 单 内 核 操 作 系 统 ， Mach 是 微 内 核 操 作 系 统 ， Windows2003是C/S结构操作系 统。



内核(kernel)是作为可信软件来提供支持进程并 发执行的基本功能和基本操作的一组程序模块. 内核通常驻留在内核空间，运行于核心态，具有 访问硬设备和所有主存空间的权限，是仅有的能 执行特权指令的那部分程序。 在内核的支撑下，机器功能得到扩展、进程运行 环境得到改善，安全性得到保证，系统效率得到 提高。
基本功能: 资源抽象-- 资源分配-- 资源共享---



基本属性: 内核是由中断驱动的。只有当发生中断事件后由硬 件交换程序状态字才引出操作系统的内核进行中断 处理，且在处理完中断事件后内核自行退出。 内核是不可抢占的。在内核执行期间不能插入内核 以外的程序执行。 内核部分程序在屏蔽中断状态下执行。在处理某个 中断时，为避免中断的嵌套可能引起的错误，必须 屏蔽该级中断。在处理某个中断时，为避免中断的 嵌套可能引起的错误，必须屏蔽该级中断。 内核可以使用特权指令
1.4.1 操作系统的构件和结构 1.4.2 操作系统的运行模型 1.4.3 Windows 2003客户/服务器 结构

操作系统设计呈现出以下特征：
◦ 复杂程度高， ◦ 生成周期长， ◦ 正确性难保证 。

操作系统结构设计有三层含义： 一、是研究操作系统整体结构，如功能如何 分块，相互如何交互，及考虑构造它的过程 和方法； 二、是研究操作系统程序局部结构，包括数 据结构和控制结构； 三、是操作系统运行时的组织，如系统是否 组织成进程或线程 ? 在系统空间还是在用户 空间运行?

操作系统的一个基本问题是内核的功能和结构设计， 总体的趋势是：内核应当运行在具有特权的核心态， 常驻内存，尽可能地小，仅确保操作系统正确、有 效运转所必备的功能。
◦ 内核很小，可以被精心分析和设计成准确按意图执行的软 件，称为可信软件。 ◦ 可信软件是最小化的操作系统功能集，提供支撑平台，操 作系统的其他服务可以由平台上运行的其他服务器进程实 现。 ◦ 这种方法把内核跟其外部的服务程序的开发分离，具有较 好的可伸缩性和灵活性，适合构造分布式系统。 Nhomakorabea


早期，进程是操作系统中资源分配以及系统调度的 基本单位。由于每个进程拥有自己独立的存储空间 和运行环境，进程与进程之间的通信和切换开销相 当大，限制了系统中并发执行的进程数目。于是， 多线程（结构）进程（也叫多线程）开始流行。 在一个多线程环境中，进程是系统进行保护和资源 分配的单位，而线程则是进程中一条执行路径，每 个进程中允许有多个线程，线程才是系统进行调度 的独立单位。 在一个进程中包含有多个可并发执行的控制流，而 不是把多个控制流一一分散在多个进程中，这是并 发多线程程序设计与并发多进程程序设计的主要不 同之处。
用户 进程 客户 进程1 客户 进程2
操作系统 服务进程 文件服 进程服 主存服 …… 务器 务器 务器 微内核(消息传递)
用 户 态
计算机硬件
客户通过微内 核发送消息给 文件服务器
核 心 态



一对进程的请求提供一致性接口，不必区别内 核级服务或用户级服务，所有服务均借助消息 传递机制提供； 二可扩充性和易修改性好，增加新服务和替换 老功能，只需增加或替换服务器； 三可移植性好，与特定CPU有关代码均在微内 核中，把系统移植到新平台上所作修改较小； 四提供对分布式系统的有力支撑，当消息从客 户机发送给服务器进程时，不必知道它驻留在 哪台机器上，处理都是发送请求和接收回答。 缺点是运行效率低，因为进程间必须通过内核 的通信机制才能进行通信。

理解进程概念的关键：
◦ 进程是对于进入主存的当前运行程序在处理器上操作的状 态集的一个抽象。 ◦ 进程是有权获得资源分配的独立单元。 ◦ 一个程序，一旦开始运行就成为一个进程。 ◦ 每一个程序从运行到结束，对应一个进程。可中间有可能 对应多个进程。 ◦ 同一个进程在不同阶段，可能对应的不同的程序代码段的 执行。 ◦ 进程和程序是两个概念，本质上不同，而且也没有一一对 应的关系。
可分为微内核和单内核两种类型。 微内核：内核很小，仅具有极少的必须功能，其它 功能都在核外实现。通过微内核提供的消息传递机 制完成其余功能模块间的联系。内核和核外服务程序的
开发是分离的。

单内核：内核具有较多的功能，运行时是一个大的 二进制映像，模块间的联系通过函数或过程调用实 现。
Linux是单内核操作系统，Mach是微内核操作系统。 单内核操作系统有两种基本结构：整体式结构和层次式结构
虚拟机具有的特性
内核和裸机组成的虚拟机具有以下特性：
1） 虚拟机没有中断。进程设计者不再需要
有硬件中断的概念，用户进程执行中无需处理中 断。
2）虚拟机为每个进程提供了一台虚拟 处理器。 每个进程就好象在各自的私有处理器
上顺序的推进，实现了多个进程的并发执行。
3）虚拟机为进程或模块提供了功能较 强的指令系统。 它们能够使用机器的非特权


操作系统仅将所有应用必需的核心功能放入内核，其他功能 都在内核之外，由处在用户态运行的服务进程实现，通过微 内核提供的消息处理机制完成进程之间的通信。 微内核的实现思想： ◦ 操作系统分为两部分，一是运行在核心态的内核，它提供 系统的基本功能；二是运行在用户态并以客户－服务器方 式运行的进程层。 ◦ 操作系统内核之外的其他部分由相对独立的若干进程来实 现，每一个进程完成一组服务，故称服务器进程。 ◦ 服务器进程和用户进程都运行在用户层 ◦ 用户进程和服务器进程之间采用消息传递机制进行通信， 形成客户——服务器关系。


管程是管理共享资源的程序（一种同步机制），对管 程的调用表示对共享资源的请求与释放。 管程可以被多个进程或管程嵌套调用，但它们只能互 斥地访问管程。管程应包含条件变量，当条件不满足 时，可以通过对条件变量做延迟操作使调用进程等待， 直到另一个进程调用管程过程并执行一个释放操作为 止。 由于管程的引入，使得原来分散在进程中的临界区集 中了起来统一控制和管理。

2.主要优点和缺点 主要优点：结构紧密、组合方便，对不同环境和用户的不 同需求，可以组合不同模块来满足，灵活性大；针对某个 功能可用最有效的算法和任意调用其他模块中的过程来实 现，系统效率较高；设计及编码可齐头并进，加快操作系 统研制过程。 主要缺点：模块独立性差，模块之间牵连甚多，形成复杂 的调用关系，甚至循环调用，造成系统结构不清晰，正确 性难保证，系统功能的增、删、改十分困难。 Linux仍然使用整体式结构。
应用程序 系统库(函数库) 系统调用接口 单 内 核 模块 设备 驱动 内核(进程管理、 存储管理、文件 管理、设备管理、 网络管理)
用户 态
核 心 态
计算机硬件




层次式结构是把操作系统划分为内核和若干模块（或进 程），这些模块（或进程）按功能的调用次序排列成若干 层次，各层之间只能是单向依赖或单向调用关系，即低层 为高层服务，高层可以调用低层的功能，反之则不能。这 样不但系统结构清晰，而且不构成循环调用。 层次结构的优缺点分析 层次结构的优点： ◦ 整体问题局部化，整个系统中的接口比较少； ◦ 系统的正确性可通过各层正确性来保证； ◦ 增加、修改或替换层次不影响其他层次，有利于系统的维 护和扩充。 层次结构的缺点：层次结构是分层单向依赖的，必须要建 立模块（进程）间的通信机制，系统花费在通信上的开销 较大，系统的效率也就会降低。