操作系统原理学习笔记（四）-OS结构设计

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传统操作系统结构

• 早期的无结构OS、模块化结构OS、分层式结构OS统称为传统结构OS，微内核结构OS称为现代结构OS。
• 无结构OS：
  • 只注重功能实现与提高效率的设计思想。
• 模块化结构OS：
  • 模块化程序设计技术的基本概念：
    • 使用“模块-接口法”的设计方法，将OS分成若干个具有一定独立性和大小的模块，并规定好模块间接口。
    • 例如，将OS分成进程管理模块、存储器管理模块、文件管理模块等，再将进程管理模块分成进程控制子模块、进程调度子模块等。
  • 模块独立性：
    • 模块划分过小会使得模块间联系繁多，系统混乱；模块划分过大，又会增加模块内部复杂性，内部联系增加。因此需要衡量。
    • 衡量模块独立性有两个标准：
      • 内聚性：模块内部的联系紧密程度，内聚性越高，独立性越强。
      • 耦合度：模块间联系与影响程度，耦合度越低，独立性越好。
  • 模块-接口法的优缺点：
    • 优点：
      • 提高OS设计的正确性、可理解性、可维护性。
      • 增强OS的可适应性。
      • 加速OS的开发过程。
    • 不足：
      • 模块间接口规定难以满足模块设计完成后的实际需求。
      • 模块化设计中，各模块设计齐头并进，造成决定的“无序性”，难以使得设计步骤都是建立在可靠的基础上。
        • 因此模块-接口法又被称为“无序模块法”。
• 分层式结构OS：
  • 分层式结构的基本概念：
    • 在目标系统An与裸机系统A0之间设计若干层的软件A1、A2...，使得An通过An-1、An-2...A2、A1层在A0上能运行。
    • 常用自底向上法铺设中间层。
    • 设计原则：每步设计建立在可靠基础上。
    • 每层仅能使用其底层所提供的功能和服务。
  • 优缺点：
    • 优点：
      • 易保证系统的正确性。
      • 易扩充和易维护性。
    • 缺点：
      • 效率低，每次调用功能都需要穿越多个层次。

客户/服务器模式(Client/Server Model)

• 客户/服务器模式(C/S模式)的由来、组成、类型：
  • 客户机：在一个LAN网络上连接有多台网路工作站（客户机），每台客户机都是一台计算机，有处理能力，客户进程在其上运行，处理业务，并能发送消息给服务器以请求某服务。
  • 服务器：规模较大的机器，驻留有网络文件系统或数据库系统等，能为网上所有用户提供一种或多种服务，并一直处于工作状态，被动等待来自客户机的消息。收到客户机的服务请求后，进行处理并反馈给客户机。
  • 网络系统：实现客户机与服务器间的通信与网络资源共享。
• 客户/服务器间的交互：
  • 客户发送请求消息：
    • 客户机要请求服务器时，先输入相应命令及参数，由客户机上的发送进程将这些信息装配成请求信息，再发送给服务器，接受进程等待服务器的响应。
  • 服务器接受消息：
    • 服务器的接受进程平时处于等待状态，当客户发来请求，接受进程激活，根据请求内容发送给相应软件进行处理。
  • 服务器会送消息：
    • 服务器软件处理后，将结果装配成响应消息，由发送进程发给客户机。
  • 客户机接受消息：
    • 客户机接受进程将响应转交给客户机软件，软件处理后发送给提出请求的客户。
• 客户/服务器模式的优缺点：
  • 优点：
    • 数据分布处理与存储。
    • 便于集中管理、
    • 灵活性与可扩充性。
    • 易于改编应用程序。
  • 不足：
    • 不可靠性与瓶颈问题：系统若只有一个服务器，则服务器故障，系统就会故障，性能也受这个服务器的影响。

面向对象的程序设计技术(Object-Orientated Programming)

• 面向对象技术的基本概念：
  • 基于“抽象”与“隐蔽”原则来控制大型程序的复杂度。
  • 对象：
    • 对象是具有相同的属性、或服从一定规则的一系列事物的抽象，具体事物被称为对象的实例。
    • 利用被封装的数据结构和一组对它进行操作的过程（方法）来表示系统中某个对象。
    • 对象的变量（数据）称为属性，对象的操作称为方法。
    • 对象的变量对外隐蔽，外界需要通过对象中的方法才能操作它。
  • 对象类：
    • 拥有相同特点的对象可以分成一类，他们具备相似的方法或属性，通过对象类来定义一组相似的对象，可以简化操作。
    • 类是对象的抽象，对象是类的实例。
  • 继承：
    • 类细化出子类，子类具备父类的属性与方法，但同时具有自己独特的属性与方法。
• 面向对象技术的优点：
  • 通过“重用”提高产品质量和生产率。
  • 更好的易修改性和易扩展性。
  • 保证系统的正确性和可靠性。

微内核OS结构

• 微内核OS的基本概念：
  • 足够小的内核：
    • 只将OS中最基本的部分放入微内核中，通常包含：
      • 与硬件处理紧密相关的部分。
      • 基本功能。
      • 客户机与服务器间的通信。
  • 基于客户/服务器模式：
    • 将OS基本功能放入内核，OS的其他大部分功能放在微内核外的一组服务器中实现。
    • 例如，提供对进程进行管理的进程服务器等，以进程方式实现功能，运行在用户态。
    • 客户与服务器间通过微内核提供的消息传递机制来实现信息交互。
  • 应用“机制与策略分离”原理：
    • 机制处于系统基层，是实现某一功能的具体执行机构。
    • 策略处于系统高层，在机制的基础上借助参数和算法实现该功能的优化。
    • 传统OS中，机制放在OS的内核较低层，策略放在内核较高层。
    • 微内核OS中，机制放在OS的微内核中。
  • 采用面向对象技术：
    • 基于面向对象技术的“抽象”和“隐蔽”原则控制OS复杂性。
    • 利用“对象”、“封装”、“继承”等概念确保OS的“正确性”、“可靠性”、“易修改性”、“易扩展性”等。
    • 提高OS的设计速度。
• 微内核的基本功能：
  • 进程（线程）管理
  • 低级存储器管理
  • 中断和陷入处理
• 微内核OS的优点：
  • 提高可扩展性。
  • 增强系统可靠性。
  • 可移植性强。
  • 提供对分布式系统的支持。
  • 融入面向对象技术。
• 微内核OS存在的问题：
  • 效率低：
    • 客户对OS提出服务请求时，需要进行多次交换和进行用户/内核模式与上下文的多次切换。
    • 早期OS仅需要两次，一次用户态转向系统态，一次系统态转向用户态。