操作系统的体系结构

操作系统的内核

计算机的体系结构

如图所示，操作系统内核由以下几个部分组成：

• 进程管理、存储器管理、设备管理等功能

• 时钟管理

• 中断处理

• 原语

原语

原语是一种特殊的程序具有原子性，也就是说：这段程序的运行必须一气呵成，不可被“中断”

内核是操作系统最基本、最核心的部分实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序

操作系统中，内核需要运行在内核态，非内核功能运行在用户态

CPU 状态切换的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地切换会降低系统性能

内核分为两种：

大内核 （宏内核）

将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态

采用大内核的系统通常也采用了“模块化”的设计思想

大内核为图中标注为内核的部分

• 优点：高性能，内核内的各种功能都可以直接相互调用 👍

• 缺点：

  • 内核代码庞大，结构混乱，难以维护 👍
  • 大内核中的某个功能模块出错，可能导致整个系统崩溃 👍

微内核

只把最基本的功能保留在内核（中断、原语、进程通信等）

微内核只保留和硬件相关的部分

• 优点：

  • 内核功能少，结构清晰，方便维护 👍
  • 内核外的某个功能出错不会导致整个系统崩溃 👍

• 缺点：

  • 需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低；且内核内的各个功能不能直接相互调用，需要通过内核的“消息传递”来间接通信 👍

分层结构的内核

内核分多层，每层可单向调用更低一层提供的接口

• 优点：

  • 便于调试和验证，自底向上逐层调试验证 👍
  • 易扩充和易维护，各层之间调用接口清晰固定

• 缺点：

  • 仅可调用相邻低层，难以合理定义各层的边界
  • 效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长 👍

模块化的内核设计

将内核划分为多个模块，各模块之间相互协作。

内核 = 主模块 + 可加载内核模块 👍
主模块：只负责核心功能，如进程调度、内存管理等 👍
可加载内核模块：可以动态加载新模块到内核，而无需重新编译整个内核 👍

• 优点：

  • 模块间逻辑清晰易于维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发
  • 支持动态加载新的内核模块（如：安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核），增强 OS 适应性 👍
  • 任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用消息传递进行通信，效率高 👍

• 缺点：

  • 模块间的接口定义未必合理、实用
  • 模块间相互依赖，更难调试和验证

外核

内核负责进程调度、进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源（比如连续的内存地址或连续的物理存储空间），且由外核负责保证资源使用安全 👍

• 优点：

  • 外核可直接给用户进程分配“不虚拟、不抽象”的硬件资源，使用户进程可以更灵活的使用硬件资源 👍
  • 减少了虚拟硬件资源的“映射层”，提升效率 👍

• 缺点：

  • 降低了系统的一致性
  • 使系统变得更复杂