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操作系统 | 操作系统结构

作者：2023面试高手 | 2024-02-29 14:34:26

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操作系统结构

操作系统服务和接口

操作系统服务

操作系统以服务的形式向程序和用户提供环境用于执行程序。

基本服务

用户界面
程序执行
I/O操作
文件系统操作
通信
错误检测

增值服务

资源分配
统计
保护和安全

服务形式

系统调用（System call）
用户接口（User interface）
系统程序（System program）

操作系统程序接口 - 系统调用

操作系统服务的编程接口，通常由高级语言编写 -- 面向程序。

程序通过API访问。

三种常用的APIs

Windows的Win32 API
POSIX系统（所有版本的UNIX, Linux, Mac OS X）的POSIX API
Java虚拟机（JVM）的Java API

API和系统调用

可以看到会进行用户模式向内核模式之间的转换。

操作系统用户界面

CLI（Command-Line Interface）

字符模式，用户直接输入命令。
内核或系统程序实现，多种实现方式 - 外壳（shells）

主要作用：获取并执行用户指定的命令（内置和外置命令）

系统程序

用于管理、维护操作系统。

为用户使用操作系统服务。

功能：

文件管理（例如win中的相关文件的管理）
状态信息（电脑的相关信息，配置信息等）
文件处理（文件的修改，命令等）
程序语言支持
程序装入和执行
通信（比如远程桌面）

操作系统结构

简单结构

简单结构也可以成为无结构，主要用于早期操作系统（功能有限，规模小、简单）。

问题：

混乱，不亦伟乎和更新，不适合大规模系统开发。

例子：早期的unix系统

层次结构

操作系统划分为若干层

在底层上构建高层。
底层（0层）为硬件。
最高层（N层）为用户层。
每层智能使用低层次的功能和服务。

优缺点

优点：简化了系统设计和实现，便于调试和升级维护。
缺点：每层内容的定义困难，效率较差。

微内核结构

针对内核越来越大，越来越难以管理的问题，出现了内核微型化，也就是微内核结构。核内移除尽可能多的功能到用户空间。（简言之就是讲内核的一部分功能移动到用户空间中，使得内核更加的安全和稳定，便于管理）

优点：

便于扩充微内核。
便于移植操作系统到新的架构系统上。
更加安全，更加稳定（更少的代码运行在核心态）。

缺点：

用户空间和内核空空间通信的系统开销增加。
解决方法：提出消息传递机制。

模块化结构

目前，大部分的现代化操作系统采用的是模块化结构。

使用面向对象的方法。
每个核心部件分开。
每个与其他模块的会话被称为接口。
每个模块在需要时被加载到内核。

模块化结构类似于分层方法，但是更加灵活

混合结构

许多现代操作系统不是采用单一的结构，通过采用多种结构获得性能、安全、使用等方面的应用需求。

虚拟机

虚拟机定义

虚拟机是一种通过软件模拟的实现，具有完整硬件系统的功能，并可以运行在一个完全隔离环境中的完整的计算机系统。

通过将物理计算机资源共享以创建虚拟机。

每个虚拟机同其他虚拟机之间进行隔离。

需要对物理及进行精确的复制，因而虚拟机实现较为困难。

JAVA虚拟机

是高级语言虚拟机的一种，主要用于模拟代码执行，目的是为了跨平台使用。

工作站虚拟机

目的是为了让多个操作系统可以同时在一个计算机上使用。

工作站虚拟机：操作系统上的虚拟机

宿主操作系统（Host OS）：安装在硬件上的OS。
客户操作系统（Guest OS）：安装在操作系统上的操作系统。
工作站虚拟机安装在宿主操作系统上，在工作站虚拟机中可以安装客户操作系统。

优点：

同时在一个计算机上使用多个操作系统。
一个宿主操作系统，若干个客户操作系统。

虚拟工作站软件：

VMWare Station, Virtual Box, Virtual PC

服务器虚拟机

是一个多用户、多操作系统并存的虚拟机。目的是把一个物理计算机虚拟化为多个虚拟机。

服务器虚拟化：将服务器物理资源抽象成逻辑资源，让一台服务器变成几台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器。

常用模式：

一虚多：一台服务器虚拟成多台服务器虚拟机。（常用的虚拟形式）
多虚一：多个独立的物理服务器虚拟成为一个虚拟服务机。

优点;

安全性好
资源共享
可扩张性好
便于隔离
性价比高

服务器虚拟机架构：

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