操作系统的结构设计
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1.4 操作系统结构和运行模型
主要内容：
操作系统的构件和结构 整体式结构的操作系统 层次式结构的操作系统
操作系统的运行模型 Windows 2003的客户/服务器结构
操作系统的结构设计概述(1)
1.操作系统结构设计概况 操作系统设计呈现出以下特征：
一是复杂程度高， 二是生成周期长， 三是正确性难保证 。 例如，CTSS约有32000行程序；IBM OS/360超过百万条 机器指令，共有4000个模块组成，花费5000人年；Multics 达 到千万条机器指令；Windows 2000 超过3200万行语句，有 2500个主要开发人员参与开发。 一个操作系统即使开发完成，仍然是无生命的，必须开 发该系统下运行的大量的应用程序；待应用程序开发问世后， 用户还必须通过文件、培训及实践去学会操作和使用。这意 味着用户拥有并使用的是10年或20年前的操作系统技术。而 计算机硬件却在不断地更新换代，刚刚开发完成的操作系统 又需要升级。
Linux是单内核操作系统，Mach是微内核操作系统。
① 单内核：内核的内部可以化分为层次或者模块，单运行的 时候是一个大二进制映象，模块之间的交互是通过直接调 用其他模块中的函数来实现。
Unix/Linux是单内核操作系统，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。
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。
二、整体式结构的操作系统 (1)
（a）整体式结构
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。
(2)内核的分类 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。
➢ 对分布式系统提供有力支撑。
微内核结构的缺点：
➢ 运行效率低，因为进程之间必须通过内核的通信 机制才能进行通信。
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。
➢ 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。
Leabharlann Baidu内核结构的优点：
➢ 对进程的请求提供一致性接口，不必区分内核级 服务和用户级服务，所有服务均借助消息传递机 制提供；
➢ 具有较好的可扩充性和易修改性，增加新服务或 者替换老功能只需要更换服务器（进程）；
➢ 可移植性好，与特定CPU有关的代码均在微内核 中，把系统移植到新平台所做的修改较小；
一、操作系统的构件
操作系统的构件-----通常把组成操作系统程序的基本单位称 作操作系统的构件。
操作系统的构件主要有：内核、进程、线程、类程、管程等。
1.内核
(1)概念
内核是一组程序模块，作为可信软件来支持进程并发执 行的基本功能和基本操作，通常驻留在内核空间，运行于核 心态，具有访问硬件设备和所有主存空间的权限，是仅有的 能执行特权指令的程序。
二、整体式结构的操作系统 (2)
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。
操作系统的结构设计概述(2)
2.操作系统结构设计有三层含义 一是研究操作系统的整体结构，由程序的构成成分组成
操作系统程序的构造过程和方法； 二是研究操作系统程序的局部结构，包括数据结构和控
制结构。 三是操作系统运行时的组织，如系统是组织成进程还是
线程，在系统空间还是用户空间运行等。
•采用不同的构件和构造方法可组成不同结构的操作系统。
Linux仍然使用整体式结构。
（b）层次式结构
•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。
2 微内核
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。
P38, 图1.10
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进程层
主要内容：
操作系统的构件和结构 整体式结构的操作系统 层次式结构的操作系统
操作系统的运行模型 Windows 2003的客户/服务器结构
操作系统的结构设计概述(1)
1.操作系统结构设计概况 操作系统设计呈现出以下特征：
一是复杂程度高， 二是生成周期长， 三是正确性难保证 。 例如，CTSS约有32000行程序；IBM OS/360超过百万条 机器指令，共有4000个模块组成，花费5000人年；Multics 达 到千万条机器指令；Windows 2000 超过3200万行语句，有 2500个主要开发人员参与开发。 一个操作系统即使开发完成，仍然是无生命的，必须开 发该系统下运行的大量的应用程序；待应用程序开发问世后， 用户还必须通过文件、培训及实践去学会操作和使用。这意 味着用户拥有并使用的是10年或20年前的操作系统技术。而 计算机硬件却在不断地更新换代，刚刚开发完成的操作系统 又需要升级。
Linux是单内核操作系统，Mach是微内核操作系统。
① 单内核：内核的内部可以化分为层次或者模块，单运行的 时候是一个大二进制映象，模块之间的交互是通过直接调 用其他模块中的函数来实现。
Unix/Linux是单内核操作系统，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。
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。
二、整体式结构的操作系统 (1)
（a）整体式结构
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。
(2)内核的分类 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。
➢ 对分布式系统提供有力支撑。
微内核结构的缺点：
➢ 运行效率低，因为进程之间必须通过内核的通信 机制才能进行通信。
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。
➢ 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。
Leabharlann Baidu内核结构的优点：
➢ 对进程的请求提供一致性接口，不必区分内核级 服务和用户级服务，所有服务均借助消息传递机 制提供；
➢ 具有较好的可扩充性和易修改性，增加新服务或 者替换老功能只需要更换服务器（进程）；
➢ 可移植性好，与特定CPU有关的代码均在微内核 中，把系统移植到新平台所做的修改较小；
一、操作系统的构件
操作系统的构件-----通常把组成操作系统程序的基本单位称 作操作系统的构件。
操作系统的构件主要有：内核、进程、线程、类程、管程等。
1.内核
(1)概念
内核是一组程序模块，作为可信软件来支持进程并发执 行的基本功能和基本操作，通常驻留在内核空间，运行于核 心态，具有访问硬件设备和所有主存空间的权限，是仅有的 能执行特权指令的程序。
二、整体式结构的操作系统 (2)
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。
操作系统的结构设计概述(2)
2.操作系统结构设计有三层含义 一是研究操作系统的整体结构，由程序的构成成分组成
操作系统程序的构造过程和方法； 二是研究操作系统程序的局部结构，包括数据结构和控
制结构。 三是操作系统运行时的组织，如系统是组织成进程还是
线程，在系统空间还是用户空间运行等。
•采用不同的构件和构造方法可组成不同结构的操作系统。
Linux仍然使用整体式结构。
（b）层次式结构
•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。
2 微内核
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。
P38, 图1.10
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进程层