第二章：操作系统结构

1. 操作系统提供的服务

操作系统提供一系列服务，以便用户和程序能方便、高效地使用计算机系统。这些服务可以分为两大类：

面向用户/程序的服务：

• 用户界面：提供用户与系统交互的方式。
  • CLI：命令行界面，用户通过输入文本命令来操作。
    • 例子：Windows 中的 cmd 或 PowerShell，Linux 或 macOS 中的 Terminal。
      
  • GUI：图形用户界面，用户通过点击鼠标、拖拽等图形元素来操作。
    • 例子：Windows 的桌面、macOS 的 Finder。
      
• 程序执行：将程序从硬盘加载到内存，并启动运行。
  
• I/O 操作：由于用户程序不能直接控制硬件，操作系统提供统一的接口来执行输入/输出。
  • 例子：当你用程序读取一个文件时，你调用的是操作系统提供的 read 函数，而不是直接去操作硬盘磁头。
    
• 文件系统操作：提供创建、删除、读取、写入、搜索文件和管理目录的功能。
  
• 通信：允许进程之间交换信息。
  • 方式：共享内存 或 消息传递。
    
  • 例子：复制一段文字，在另一个程序中粘贴，背后可能就是通过操作系统的通信服务实现的。
    
• 错误检测：持续监控系统，检测硬件（如CPU错误、内存故障）、软件（如除零错误、访问非法内存）的错误，并确保计算正确进行。

确保系统自身高效运行的服务：

• 资源分配：当多个用户或多个作业同时运行时，操作系统需要将 CPU 时间、内存空间、文件存储空间、I/O 设备等资源分配给它们。
  • 例子：你的电脑同时运行着浏览器、音乐播放器和Word，操作系统负责公平地分配CPU时间片给它们。
    
• 记账：记录用户使用了多少以及何种类型的资源。这可以用于计费，或简单地用于统计系统性能和使用模式。
  • 例子：云计算服务商会记录你使用了多少CPU小时、存储空间和网络流量，并据此收费。
    
• 保护与安全：
  • 保护：控制进程或用户对系统资源的访问，防止相互干扰。
    • 例子：用户A不能未经授权访问或删除用户B的文件。
      
  • 安全：防御来自系统外部的攻击，如病毒、木马、黑客入侵等。

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2. 用户与操作系统的接口

系统调用

• 是什么：系统调用是操作系统内核为运行在用户态的程序提供的、请求服务的编程接口。它是用户程序进入内核态的唯一入口。
  
• 重要性：用户程序不能直接执行特权指令（如直接操作硬件），必须通过系统调用“请求”操作系统代为执行。
  
• 例子：在C语言中，你调用 printf(“Hello”) 来打印。printf 函数库的内部最终会触发一个 write 系统调用，通知操作系统内核将字符串“Hello”输出到屏幕上。
  
• 传递参数的方法：
  1. 通过寄存器：将参数放在CPU的寄存器中。
     
  2. 通过内存块：将参数放在内存的一个表格里，然后将表格的地址存放在寄存器中。
     
  3. 通过栈：程序将参数压入栈中，操作系统再从栈中弹出这些参数。

系统程序

• 是什么：系统程序是运行在操作系统之上的实用工具软件集合，它们利用系统调用来完成更复杂的功能。它们定义了大多数用户眼中的“操作系统体验”。
  
• 例子：
  • 文件操作：文件管理器、复制命令 (cp)、删除命令 (rm)。
    
  • 状态信息：任务管理器、系统监视器 (top)。
    
  • 编程语言支持：编译器 (gcc)、解释器 (Python)。
    
  • 程序加载与执行：命令行解释器 (shell)。

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3. 操作系统的结构与设计

设计目标

• 用户目标：系统应该方便使用、易于学习、可靠、安全、快速。
  
• 系统目标：系统应该易于设计、实现、维护，并且灵活、可靠、无错误、高效。

机制与策略

• 机制：如何做。指实现一个功能的底层具体方法和步骤。
  
• 策略：做什么。指决定在何时、为何做某件事的高层决策。
  
• 分离原则：将机制与策略分离是一个重要设计原则，它允许我们在不改变底层机制的情况下，灵活地调整策略。
  • 例子：CPU调度是一个机制，它负责在进程间切换。而调度算法（如先来先服务、时间片轮转）则是策略。我们可以轻松地更换调度算法，而无需重写整个进程切换的底层代码。

操作系统的几种结构

1. 简单结构（如 MS-DOS）
   • 特点：没有清晰的模块划分，接口和功能层级混乱。为了在有限的空间内提供最多功能，应用程序甚至可以绕过操作系统直接访问硬件。
     
   • 缺点：极其不安全，一个程序的错误可能导致整个系统崩溃。
2. 分层结构
   • 特点：操作系统被划分为若干层（级），每一层只使用其下一层提供的服务，并为上一层提供服务。最底层是硬件，最高层是用户界面。
     
   • 优点：简化了设计和调试，层与层之间接口清晰。
     
   • 缺点：性能可能稍差，因为一个高层请求可能需要穿越多个层。
3. 微内核结构
   • 思想：将内核中最基本的功能（如进程调度、进程间通信、底层内存管理）保留在内核中，而将其他服务（如文件系统、设备驱动、网络协议栈）作为独立的“用户态进程”运行。
     
   • 优点：
     • 高可靠性：一个服务崩溃不会导致整个内核崩溃。
       
     • 高安全性：更少的代码运行在内核模式。
       
     • 易于扩展与移植：添加新服务只需添加新的用户态程序。
       
   • 缺点：由于需要频繁在用户态和内核态之间切换，性能可能成为瓶颈。
4. 虚拟机
   • 思想：将分层思想推到极致。虚拟机管理器（VMM）运行在裸机上，它负责多道编程和提供多个虚拟机的错觉。每个虚拟机都认为自己独占整个计算机系统（包括CPU、内存、I/O设备）。
     
   • 例子：VMware、VirtualBox。你可以在你的Windows电脑上创建一个虚拟机，并在里面安装一个完整的Linux系统，这个Linux系统感觉就像运行在一台独立的真实电脑上。
     
   • 优点：
     • 完全隔离：一个虚拟机的崩溃不影响其他虚拟机。
       
     • 研究与开发：是研究新操作系统的完美平台，不会破坏宿主系统。
       
   • 缺点：实现困难，且由于需要模拟硬件，性能会有损失。
5. Java 虚拟机
   • 特点：JVM 本身就是一个虚拟机的例子。它提供了一个与底层硬件和操作系统无关的运行时环境，使得Java程序可以“一次编译，到处运行”。

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4. 系统启动

• 系统生成：操作系统需要针对特定计算机的硬件配置进行定制和编译，这个过程称为 SYSGEN。
  
• 引导程序：
  • BIOS：存储在主板ROM中的基本输入输出系统。计算机加电后，首先运行BIOS，它进行硬件自检，并加载引导程序。
    
  • Bootstrap：一个更小的程序，负责在硬盘上找到操作系统的内核，将其加载到内存中，并跳转到内核的起始地址开始执行。
    
  • 类比：启动计算机就像发射火箭。
    • BIOS是发射前的最终系统检查。
      
    • Bootstrap是第一级推进器，负责将火箭（内核）推出地面。
      
    • 内核是主发动机，一旦启动就接管了整个系统。