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　　1.4 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　操作系統(tǒng)是一種大型、復(fù)雜的并發(fā)系統(tǒng)，為了研制操作系統(tǒng)，首先必須研究它的結(jié)構(gòu)，力求設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)良好的程序。操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩層含義：一是研究操作系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，由程序的構(gòu)成成分組成操作系統(tǒng)程序的構(gòu)造過(guò)程和方法;二是研究操作系統(tǒng)程序的局部結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)。采用不同的構(gòu)件和構(gòu)造方法可組成不同結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)。本節(jié)將在討論操作系統(tǒng)構(gòu)件之后，全面介紹各種操作系統(tǒng)的構(gòu)造方法。

　　1.4.1 操作系統(tǒng)的組件

　　通常把組成操作系統(tǒng)程序的基本單位稱作操作系統(tǒng)的構(gòu)件。剖析現(xiàn)代操作系統(tǒng)，構(gòu)成操作系統(tǒng)的基本單位除內(nèi)核之外，主要還有進(jìn)程、線程、類程和管程。

　　1.內(nèi)核

　　現(xiàn)代操作系統(tǒng)中大都采用了進(jìn)程的概念，為了解決系統(tǒng)的并發(fā)性、共享性和隨機(jī)性，并使進(jìn)程能協(xié)調(diào)地工作，單靠計(jì)算機(jī)硬件提供的功能是十分不夠的。例如，進(jìn)程調(diào)度工作目前就不能用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn);而進(jìn)程自己調(diào)度自己也是困難的。所以，系統(tǒng)必須有一個(gè)軟件部分能對(duì)硬件處理器及有關(guān)資源進(jìn)行首次改造，以便給進(jìn)程的執(zhí)行提供良好運(yùn)行環(huán)境，這個(gè)部分就是操作系統(tǒng)的內(nèi)核。

　　由于操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和環(huán)境不同，內(nèi)核的大小和功能有很大差別。有些設(shè)計(jì)希望把內(nèi)核做得盡量小僅具有極少的必需功能，稱為微內(nèi)核(microkernel)，其他功能都在核外實(shí)現(xiàn)，通過(guò)微內(nèi)核提供的消息傳遞機(jī)制完成其余功能模塊間的聯(lián)系;有些設(shè)計(jì)則希望內(nèi)核具有較多的功能，雖然其內(nèi)部也可劃分成層次或模塊，但運(yùn)行時(shí)是一個(gè)大二進(jìn)制映像，模塊間的聯(lián)系可通過(guò)函數(shù)或過(guò)程調(diào)用實(shí)現(xiàn)，稱為單內(nèi)核(monolithic kernel)。操作系統(tǒng)的一個(gè)基本問(wèn)題就是內(nèi)核的功能設(shè)計(jì)。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征之一，這種方法把內(nèi)核和核外服務(wù)程序的開(kāi)發(fā)分離，可為特定應(yīng)用程序或運(yùn)行環(huán)境要求定制服務(wù)程序，具有較好的可伸縮性，簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)，提供了靈活性，很適合分布式系統(tǒng)的構(gòu)造。

　　一般而言，內(nèi)核必須提供以下3個(gè)方面的功能。

　　(1)中斷處理。中斷處理是內(nèi)核中最基本的功能，也是操作系統(tǒng)賴以活動(dòng)的基礎(chǔ)，為了縮短屏蔽中斷的時(shí)間，增加系統(tǒng)內(nèi)的并發(fā)性，通常它僅僅進(jìn)行有限的、簡(jiǎn)短的處理，其余任務(wù)交給在內(nèi)核之外的特殊用戶態(tài)進(jìn)程完成。當(dāng)中斷事件產(chǎn)生時(shí)，先由內(nèi)核截獲并轉(zhuǎn)向中斷處理例行程序進(jìn)行原則處理，它分析中斷事件的類型和性質(zhì)，進(jìn)行必要的狀態(tài)修改，然后交給內(nèi)核之外的進(jìn)程去處理。例如，產(chǎn)生外圍設(shè)備結(jié)束中斷事件時(shí)，內(nèi)核首先分析是否正常結(jié)束，如果是正常結(jié)束，那么，就應(yīng)釋放等待該外圍傳輸?shù)倪M(jìn)程;否則啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備管理進(jìn)程進(jìn)行出錯(cuò)或異常處理。又如當(dāng)操作員請(qǐng)求從控制臺(tái)輸入命令時(shí)，內(nèi)核將把這一任務(wù)轉(zhuǎn)交給命令管理進(jìn)程去處理，以接收和執(zhí)行命令。

　　(2)短程調(diào)度。主要職能是分配處理器。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生了一個(gè)事件之后，可能一個(gè)進(jìn)程要讓出處理器，而另一個(gè)進(jìn)程又要獲得處理器。短程調(diào)度按照一定的策略管理處理器的轉(zhuǎn)讓，以及完成保護(hù)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的工作。由于它是協(xié)調(diào)進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)處理器資源的程序，所以它不是進(jìn)程而是內(nèi)核中的一個(gè)程序。

　　(3)原語(yǔ)管理。原語(yǔ)是內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)某一功能的不可中斷過(guò)程。為了協(xié)調(diào)進(jìn)程完成通信、并發(fā)執(zhí)行和共享資源，各種原語(yǔ)是必不可少的。通信原語(yǔ)為進(jìn)程相互傳遞消息，同步原語(yǔ)能協(xié)調(diào)并發(fā)進(jìn)程之間的種種制約關(guān)系。此外，還有其他原語(yǔ)，如啟動(dòng)外圍設(shè)備工作的啟動(dòng)原語(yǔ)，若啟動(dòng)不成功則請(qǐng)求啟動(dòng)者應(yīng)等待，顯然，這個(gè)啟動(dòng)過(guò)程應(yīng)該是完整的，否則在成為等待狀態(tài)時(shí)，可能外圍設(shè)備已經(jīng)空閑。由于設(shè)備的操作與硬件密切相關(guān)，故通常設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等功能都放在內(nèi)核中完成。

　　內(nèi)核是操作系統(tǒng)對(duì)裸機(jī)的首次改造，內(nèi)核和裸機(jī)組成了一臺(tái)虛擬機(jī)，進(jìn)程就在這臺(tái)虛擬機(jī)上運(yùn)行，它比裸機(jī)的功能更強(qiáng)大，具有以下特性：

　　(1)虛擬機(jī)沒(méi)有中斷，因而，進(jìn)程的設(shè)計(jì)者不再需要有硬件中斷的概念，用戶進(jìn)程執(zhí)行中無(wú)須處理中斷;

　　(2)虛擬機(jī)為每個(gè)進(jìn)程提供了一臺(tái)虛擬處理器，每個(gè)進(jìn)程就好像在各自的私有處理器上順序地推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行;

　　(3)虛擬機(jī)為進(jìn)程提供了功能較強(qiáng)的指令系統(tǒng)，即它們能夠使用機(jī)器非特權(quán)指令、系統(tǒng)調(diào)用和原語(yǔ)所組成的新的指令系統(tǒng)。

　　為了保證系統(tǒng)的有效性和靈活性，設(shè)計(jì)內(nèi)核應(yīng)遵循少而精的原則。如果內(nèi)核功能過(guò)強(qiáng)，則一方面在修改系統(tǒng)時(shí)可能牽動(dòng)內(nèi)核;另一方面它占用的內(nèi)存容量和執(zhí)行時(shí)間都會(huì)增大，且屏蔽中斷的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)影響系統(tǒng)效率。因而，設(shè)計(jì)內(nèi)核時(shí)應(yīng)注意：中斷處理要簡(jiǎn)單;調(diào)度算法要有效;原語(yǔ)應(yīng)靈活有力、數(shù)量適當(dāng)。這樣就可以做到下次修改系統(tǒng)時(shí)，盡量少改動(dòng)內(nèi)核，執(zhí)行時(shí)中斷屏蔽時(shí)間縮短。

　　2.進(jìn)程管理

　　程序本身并不能做什么，只有在CPU執(zhí)行它的指令時(shí)才能有所作為;因此，可以把進(jìn)程看做是正在運(yùn)行的程序。但是當(dāng)我們進(jìn)一步研究時(shí)，對(duì)進(jìn)程的定義將更為普遍。例如：一個(gè)分時(shí)用戶程序(如編譯器)是一個(gè)進(jìn)程，個(gè)人用戶在PC 上運(yùn)行的字處理程序是一個(gè)進(jìn)程，一個(gè)系統(tǒng)任務(wù)(如輸出到打印機(jī))也是一個(gè)進(jìn)程，并可以提供允許進(jìn)程創(chuàng)建與其并發(fā)執(zhí)行的子進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用。

　　進(jìn)程需要特定的資源(包括CPU時(shí)間、內(nèi)存、文件和I/O設(shè)備)來(lái)完成工作。這些資源或者在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)分配給它，或者在其運(yùn)行時(shí)分配。除了在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)所獲得的各種物理資源和邏輯資源以外，各種各樣的初始化數(shù)據(jù)(或輸入)也可能一同傳送給進(jìn)程。例如，考慮一個(gè)能夠在終端的顯示屏上顯示一個(gè)文件狀態(tài)的進(jìn)程。這個(gè)進(jìn)程將獲得包含輸入的文件名，將執(zhí)行相應(yīng)的指令和系統(tǒng)調(diào)用來(lái)獲取所期望的信息并顯示在終端上。

　　著重強(qiáng)調(diào)程序本身不是進(jìn)程;程序是靜態(tài)實(shí)體(passive entity)(好像是存儲(chǔ)在磁盤中的文件的內(nèi)容)，而進(jìn)程是動(dòng)態(tài)實(shí)體(active entity)，它用一個(gè)程序計(jì)數(shù)器來(lái)指明要執(zhí)行的下一條指令。進(jìn)程必須要按順序執(zhí)行，CPU執(zhí)行完進(jìn)程的一條指令后再執(zhí)行下一條，直到進(jìn)程結(jié)束。進(jìn)一步地講，一次最多執(zhí)行一條代表該進(jìn)程的指令。這樣，從來(lái)就不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的序列。但一個(gè)程序在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建多個(gè)進(jìn)程是非常普遍的。

　　進(jìn)程是并發(fā)程序設(shè)計(jì)的一個(gè)工具，并發(fā)程序設(shè)計(jì)支撐了多道程序設(shè)計(jì)，由于進(jìn)程能確切、動(dòng)態(tài)地刻畫計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的并發(fā)性，更好地解決系統(tǒng)資源的共享性，所以，在操作系統(tǒng)的發(fā)展史上，進(jìn)程概念被較早地引入了系統(tǒng)。它在操作系統(tǒng)的理論研究和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上均發(fā)揮了重要作用。采用進(jìn)程概念使得操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得清晰，主要表現(xiàn)如下。

　　(1)一個(gè)進(jìn)程到另一個(gè)進(jìn)程的控制轉(zhuǎn)移由進(jìn)程調(diào)度機(jī)構(gòu)統(tǒng)一管理，不能雜亂無(wú)章，隨意進(jìn)行。

　　(2)進(jìn)程之間的交互如信號(hào)發(fā)送、消息傳遞和同步互斥等活動(dòng)由通信及同步機(jī)制完成，從而使進(jìn)程無(wú)法有意或無(wú)意破壞其他進(jìn)程的數(shù)據(jù)。因此，每個(gè)進(jìn)程相對(duì)獨(dú)立，相互隔離，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

　　(3)進(jìn)程結(jié)構(gòu)較好地刻畫了系統(tǒng)的并發(fā)性，動(dòng)態(tài)地描述出系統(tǒng)的執(zhí)行過(guò)程，因而具有進(jìn)程結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)清晰、整齊劃一，可維護(hù)性好。

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