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操作係統結構（一）
研究一個操作係統，或者說設計一個操作係統，需要從多個角度去了解操作係統。第一是通過考察所提供的服務（用戶角度）；第二是通過考察為用戶和程序員提供的接口（程序員角度）；第三是研究係統的各個組成部分及其相互關係（操作係統設計人員）。
主要內容：
*操作係統為用戶、進程和其他係統提供的服務；
*組織操作係統的不同方法；
在本節介紹操作係統提供的服務和操作係統的設計和實現。
1、操作係統服務
操作係統提供一個環境以執行程序。它向程序和這些程序的用戶提供服務。這些服務幫助用戶更高效地完成任務，同時確保係統高效率運行。
*用戶界麵（User Interface, UI）；
*程序執行：係統必須能將程序裝入內存並運行程序。程序必須能結束執行，包括正常結束和部正常結束（指明錯誤）。
*I/O操作：運行程序可能需要I/O，這些I/O可能涉及文件或設備。為了提高效率和進行保護，用戶通常不能直接控製I/O。因此，操作係統必須提供進行I/O操作的方法。
*文件係統操作；
*通信：在許多情況下，一個進程需要與另一個進程交換信息。這種通信有兩種主要形式。一種是發生在同一計算機（同一操作係統）運行的兩個進程之間；另一種是運行在由網絡連接起來的不同的計算機上的進程之間。通信可以通過共享內存來實現，也可通過消息交換技術來實現（對於消息交換，消息包通過操作係統在進程之間移動）。
*錯誤檢測：操作係統需要知道可能出現的錯誤。錯誤可能發生在CPU或內存硬件（如內存錯誤或電源失敗）、I/O設備（如網絡連接出錯、打印機缺紙）和用戶程序中（如算術溢出、試圖訪問非法內存地址）。對於每種類型的錯誤，操作係統應該采取適當的動作以確保正確和一致的計算。
*資源分配：當同時有多個用戶或多個作業運行時，係統必須為它們中的每一個分配資源。例如，為了更好地使用CPU，操作係統需要采用CPU調度算法以考慮CPU的速度、必須執行的作業、可用的寄存器數和其他因素。
*統計：需要記錄哪些用戶使用了多少和什麼類型的資源。
*保護和安全。
A、操作係統的用戶界麵：
#命令行界麵（Command-Line Interface, CLI），采用文本命令，並用一定方法輸入。
命令解釋程序（Shell）的主要作用是獲取並執行用戶指定的下一條命令。執行這些命令有兩種常用方法。一種方法是命令解釋程序本身包含代碼以執行這些命令；另一種方法是由係統程序實現大多數命令，命令解釋程序用命令來識別文件以裝入內存（Unix係統）。
#圖形用戶界麵（Graphical User Interface），視窗係統，具有定位設備來指揮I/O、從菜單選擇、選中部分並用鍵盤輸入文本（像素Pixel）。
B、係統調用：
係統調用提供了操作係統提供的有效服務界麵。由操作係統實現提供的所有係統調用所構成的集合即應用程序接口(Application Programming Interface，API)。一般應用程序開發人員根據API來設計程序。API是一係列適用於應用程序員的函數，包括傳遞給每個函數的參數及其返回的程序員想得到的值。有三種應用程序員常用的API：適用於Windows係統的Win32 API，適用於POSIX係統的POSIX API（包括幾乎所有UNIX、Linux、Max OSX版本），以及適用於運行於Java虛擬機程序的Java API。
對於程序員，通過API操作係統接口的絕大多數細節被隱藏起來，並被執行支持庫所管理。API、係統調用接口和操作係統之間的關係（處理一個Open()係統調用）：
向操作係統傳遞參數的三種方法：
*寄存器參數傳遞；
*通過程序放入堆棧中；
*采用塊或堆棧的方法。
C、係統調用類型：
係統調用大致可以分為五大類：
*進程控製：
#結束，放棄
#裝入，執行
#創建進程，終止進程
#取得進程屬性，設置進程屬性
#等待時間
#等待事件，喚醒事件
#分配和釋放內存
*文件管理：
#創建文件，刪除文件
#打開，關閉
#讀、寫、重定位
#取得文件屬性，設置文件屬性
*設備管理：
#請求設備，釋放設備
#讀、寫、重定位
#取得設備屬性，設置設備屬性
#邏輯連接或斷開設備
*信息維護：
#讀取時間或日期，設置時間或日期
#讀取係統數據，設置係統數據
#讀取進程、文件或設備屬性
#設置進程、文件或設備屬性
*通信：消息傳遞模型和共享內存模型
#創建、刪除通信連接
#發送、接收消息
#傳遞狀態消息
#連接或斷開遠程設備
D、係統程序：
係統程序提供了一個方便的環境，以開發程序和執行程序。它們可以分為如下幾類：
*文件管理
*狀態信息：係統信息，詳細的性能、登錄和調試信息以及係統設置（如Windows注冊表）。
*文件修改
*程序語言支持：常用程序設計程序語言的編譯程序、匯編程序、調試程序和解釋程序通常與操作係統一起提供給用戶。
*程序裝入和執行：絕對加載程序，重定位加載程序，鏈接編輯器和覆蓋式加載程序。
*通信：提供在進程、用戶和計算機係統之間創建虛擬連接的機製。
2、操作係統設計和實現
A、設計目標：
需求可以分為兩個基本類：用戶目標和係統目標。
用戶目標：方便和容易使用，學習代價低，可靠安全快速。
係統目標：容易設計、實現和維護，靈活、可靠、高效且沒有錯誤。
B、機製（Mechanism）與策略（Policy）：
機製決定如何做，策略決定做什麼。Unix/Linux的接口設計有一句通用的格言“提供機製而不是策略”。操作係統的本質是什麼？管理者？亦或服務者？但歸根到底，操作係統是一個執行者。
執行用戶程序，所謂為用戶服務；執行中斷，所謂為外設服務；係統調用，所謂為廣大的程序員服務；執行內核線程，為操作係統自身服務。而這些所有，它們執行的核心，無非是在恰當的時機，讓哪個對象（程序、線程、中斷服務程序、中斷的下半部分、係統調用）占有CPU。換句話說，Unix/Linux抽象出對這些對象的執行機製：
*程序的執行機製——進程
*內核函數的執行機製——線程
*中斷服務程序的執行機製——中斷信號觸發
*中斷下半部的執行機製——softirq, tasklet, 工作隊列
*係統調用的執行機製——軟中斷（0x80中斷觸發）
如果說機製是一種框架，那麼，策略就是填充框架的一個個具體的實體。機製提供的是一種開放而寬鬆的環境，而策略就是在這個環境下賴以生存的生命個體。比如，我們編寫的一個程序，fork()以後，就成為一個個進程的生命個體。而操作係統所提供給我們創建、執行以及結束進程的各種原語fork()、exec()、exit()等是統管各種進程的機製。我們所創建進程的死活並不會影響機製本身。
C、實現：使用高級語言來實現操作係統。通過改善數據結構和算法來提高係統性能，同時監視係統性能，增加代碼以計算並顯示係統行為和測量。
最後更新：2017-04-03 05:39:25