第二章 操作系统结构

2.1 系统调用与接口

系统调用是操作系统提供给应用程序的编程接口，允许程序员通过编程方式请求操作系统服务。

2.1.1 系统调用类型

系统调用可以分为六个主要类别。

一、进程控制

• 进程创建与终止：create_process()、terminate_process()、end()、abort()。这些调用用于创建新进程和终止现有进程。
• 程序加载与执行：load()、execute()。用于将程序加载到内存并开始执行。
• 进程属性操作：get_process_attributes()、set_process_attributes()。用于获取和设置进程的属性。
• 等待时间和事件：wait_time()、wait_event()、signal_event()。用于进程同步和事件等待。
• 内存分配和释放：allocate_memory()、free_memory()。用于动态内存管理。
• 锁机制：acquire_lock()、release_lock()。用于进程间的互斥控制。

二、文件管理

• 基本文件操作：create()、delete()、open()、close()、read()、write()、reposition()。用于文件的创建、删除、打开、关闭、读写和重定位。
• 文件属性：get_file_attributes()、set_file_attributes()。用于获取和设置文件的属性。
• 文件操作：move()、copy()等。用于文件的移动和复制。

三、设备管理

• 设备请求与释放：request_device()、release_device()。用于请求和释放I/O设备。
• 读写设备：read_device()、write_device()、reposition_device()。用于设备的读写操作。
• 特殊操作：设备的特定功能控制。用于执行设备特定的操作。

四、信息

• 时间和日期：get_time()、get_date()。用于获取系统时间和日期。
• 系统数据：get_system_data()（版本、内存使用率等）。用于获取系统的各种信息。
• 进程信息：get_process_info()、get_process_id()。用于获取进程的相关信息。
• 调试支持：dump()内存、单步执行等。用于调试和诊断。

五、通信

• 消息传递模型：create_connection()、delete_connection()、send_message()、receive_message()。用于进程间的消息传递。
• 共享内存模型：shared_memory_create()、shared_memory_attach()、shared_memory_control()。用于进程间的共享内存。
• 网络通信：socket()、bind()等网络相关调用。用于网络通信。

六、保护

• 权限控制：set_permission()、get_permission()。用于设置和获取资源的访问权限。
• 用户控制：allow_user()、deny_user()。用于控制用户的访问权限。

2.1.2 用户接口

大多数程序员通过应用程序编程接口(API)设计程序，而不直接使用系统调用。API提供了更高层次的抽象，简化了程序设计。

常见API

• Windows API：Windows系统的应用程序接口，提供对Windows操作系统功能的访问。
• POSIX API：基于POSIX标准的系统（UNIX/Linux）的应用程序接口，提供跨平台的兼容性。
• Java API：Java虚拟机上的程序接口，提供Java程序的标准库。

库与运行时环境

• 程序员通过操作系统提供的代码库访问API（如UNIX/Linux中的libc）。
• 运行时环境(RTE)提供系统调用接口，连接到操作系统的系统调用。

参数传递方法

• 通过寄存器传递参数。参数直接存储在CPU寄存器中。
• 将参数存储在内存块中，并传递地址（Linux采用这两种方法的组合）。
• 将参数压入栈中，由操作系统从栈中获取。

2.1.3 命令解释器实现

命令解释器(Shell)是用户与操作系统交互的主要方式。Shell提供命令行界面，允许用户输入命令并执行。

实现方式

• 内置执行方式：解释器包含执行命令的代码，每个命令在解释器中有自己的代码实现。
• 系统程序执行方式：解释器仅识别要执行的命令文件，通过加载相应程序执行命令。

启动方式

• 系统启动时自动运行。Shell在系统启动时自动加载并运行。
• 用户登录时启动。用户登录后，Shell作为用户会话的一部分启动。
• 可以选择不同的命令解释器（Shell）。用户可以选择使用不同的Shell，如bash、zsh等。

2.2 操作系统设计

2.2.1 分层结构

操作系统可以采用模块化方法设计，创建松耦合系统。分层结构将操作系统分为多个层次，每层提供特定的功能。

分层设计特点

• 每层是抽象对象的实现，包含数据和操作。每层提供特定的服务，并隐藏实现细节。
• 高层可以调用低层功能，低层对高层不可见。高层通过接口调用低层服务。
• 每层只依赖较低层，简化构建和调试。分层设计提高了系统的可维护性和可扩展性。

优缺点

• 优点：模块化、易于调试、维护和扩展。分层设计使得系统更易于理解和修改。
• 缺点：定义每层功能的挑战、多层导致性能下降。分层设计可能导致额外的开销。

实际应用

• 网络协议（如TCP/IP）和Web应用采用分层设计。分层设计在网络协议中广泛应用。
• 操作系统中很少纯粹采用分层结构。大多数操作系统采用混合设计。
• 现代操作系统通常采用功能更强的少量层次结构。现代操作系统结合了分层和模块化设计。

2.2.2 微内核架构

微内核方法通过最小化内核功能，将系统服务移至用户空间。微内核架构将内核功能最小化，增强系统的灵活性和安全性。

微内核特点

• 内核仅包含基本功能（进程和内存管理、通信机制）。微内核只保留最基本的功能。
• 大多数服务（如文件系统、设备驱动等）在用户空间运行。服务在用户空间实现，减少内核复杂性。
• 通过消息传递实现组件间通信。微内核通过消息传递实现进程间通信。

优缺点

• 优点：系统扩展简单（无需修改内核）、增强安全性和可靠性。微内核架构提高了系统的可扩展性和安全性。
• 缺点：由于消息传递和进程切换导致性能开销。微内核架构可能导致性能下降。

实际应用

• Darwin（macOS/iOS的内核）。Darwin采用微内核架构。
• QNX（嵌入式系统）。QNX是一个实时操作系统，采用微内核设计。
• Windows NT 4.0（后来的Windows版本转向更单体化设计以提高性能）。Windows NT最初采用微内核设计，后来的版本转向单体内核。

2.2.3 模块化设计

现代操作系统通常使用可加载内核模块(LKM)，实现动态功能扩展。模块化设计允许操作系统在运行时加载和卸载模块。

模块化特点

• 内核提供核心服务。内核提供基本的系统功能。
• 在启动或运行时动态链接额外模块。模块可以在系统运行时动态加载。
• 无需重新编译内核即可添加新功能。模块化设计提高了系统的灵活性。

实际应用

• Linux、macOS、Solaris等现代UNIX实现。现代UNIX系统广泛采用模块化设计。
• Windows系统。Windows支持可加载内核模块。
• 主要用于设备驱动程序和文件系统支持。模块化设计常用于设备驱动和文件系统。

2.3 虚拟机

2.3.1 虚拟机概念

虚拟化允许在单一物理硬件上抽象出多个不同的执行环境。虚拟机技术提供了在单一硬件上运行多个操作系统的能力。

核心概念

• 虚拟机(VM)是对计算机系统的软件实现。虚拟机提供与物理机相同的功能。
• 提供与物理机相同的功能。虚拟机可以运行完整的操作系统和应用程序。
• 允许操作系统作为应用程序在其他操作系统内运行。虚拟机可以在宿主操作系统上运行。

虚拟机管理器(VMM)

• 运行和管理客户操作系统。VMM负责管理虚拟机的生命周期。
• 控制虚拟机对物理资源的访问。VMM分配和管理虚拟机的资源。
• 保障各虚拟机之间的隔离性。VMM确保虚拟机之间的隔离和安全。

2.3.2 实现原理

一、模拟方式

• 在软件中模拟整个硬件环境。模拟提供完整的硬件抽象。
• 源CPU类型与目标CPU类型不同时使用。模拟可以在不同架构之间运行。
• 提供完整的硬件抽象。模拟提供完整的硬件功能。

二、硬件支持

• 现代CPU提供对虚拟化的硬件支持。硬件支持提高了虚拟化性能。
• 降低虚拟化开销，提高性能。硬件支持减少了虚拟化的性能损失。

2.3.3 虚拟机的优势与局限

优势

• 隔离性：每个虚拟机独立运行，互不干扰。虚拟机提供强隔离性。
• 资源管理：更有效地分配和使用计算资源。虚拟化提高了资源利用率。
• 灵活性：在同一硬件上运行不同操作系统。虚拟化提供了灵活的操作系统选择。
• 安全性：虚拟机之间相互隔离，提高系统安全性。虚拟化提高了系统的安全性。

局限性

• 性能开销：虚拟化层会导致性能损失。虚拟化可能导致性能下降。
• 资源需求：需要更多的总体资源。虚拟化需要额外的资源支持。
• 硬件依赖：某些虚拟化功能需要特定硬件支持。虚拟化依赖于硬件支持。

2.4 系统启动

2.4.1 引导流程

启动计算机通过加载内核的过程称为系统引导。系统引导是计算机启动的关键步骤。

引导过程

1. 引导程序(Bootstrap/Boot Loader)定位内核。引导程序负责加载操作系统内核。
2. 内核被加载到内存并启动。内核加载后开始初始化系统。
3. 内核初始化硬件。内核识别和配置系统硬件。
4. 挂载根文件系统。内核挂载根文件系统，准备用户空间启动。

多阶段引导

• 第一阶段：固件中的小型引导加载程序(BIOS/UEFI)运行。固件负责初始化硬件并加载引导程序。
• 第二阶段：加载位于固定磁盘位置(引导块)的第二加载程序。第二加载程序负责加载操作系统内核。

引导加载器

• BIOS：传统的基本输入/输出系统。BIOS是传统的引导固件。
• UEFI：统一可扩展固件接口，提供更好的64位和大型磁盘支持，作为单一引导管理器更快。UEFI是现代计算机的标准引导固件。
• GRUB：Linux和UNIX的开源引导程序。GRUB是常用的Linux引导加载器。
• 移动系统引导加载器：Android不使用GRUB，通常使用厂商提供的引导加载程序(如LK)。移动设备使用特定的引导加载器。

特殊启动模式

• 恢复模式：用于诊断和修复系统。恢复模式提供系统修复功能。
• 单用户模式：用于系统维护和故障排除。单用户模式用于系统维护。

2.4.2 内核加载

内核加载是引导过程的关键阶段。内核加载是系统启动的核心步骤。

加载过程

• 引导加载程序将操作系统内核从存储设备加载到内存。引导加载程序负责内核的加载。
• 内核文件有特定格式，必须放置在内存正确位置。内核加载需要特定的内存布局。
• 加载后，控制权转交给内核。内核加载完成后开始执行。

2.4.3 初始化过程

内核初始化包括多个关键步骤。内核初始化是系统启动的重要环节。

初始化步骤

1. 硬件检测与初始化：识别和配置系统硬件。内核识别并配置硬件设备。
2. 内存管理系统设置：建立内存管理数据结构。内核初始化内存管理系统。
3. 调度器和进程管理初始化：准备进程调度系统。内核初始化进程调度器。
4. 设备驱动程序加载：加载必要的设备驱动。内核加载设备驱动程序。
5. 文件系统初始化：准备文件系统访问。内核初始化文件系统。
6. 用户空间初始化：启动第一个用户空间进程。内核启动用户空间进程。