操作系统结构设计

1.2操作系统结构设计

 

　　操作系统是一种大型、复杂的并发系统，为了研制操作系统，首先必须研究它的结构，力求设计出结构良好的程序。操作系统的结构设计有两层含义：一 是研究操作系统的整体结构，由程序的构成成分组成操作系统程序的构造过程和方法；二是研究操作系统程序的局部结构，包括数据结构和控制结构。采用不同的构 件和构造方法可组成不同结构的操作系统。本节将在讨论操作系统构件之后，全面介绍各种操作系统的构造方法。

1.2.1 操作系统的组件

　　通常把组成操作系统程序的基本单位称作操作系统的构件。剖析现代操作系统，构成操作系统的基本单位除内核之外，主要还有进程、线程、类程和管程。
　　1．内核
　 　现代操作系统中大都采用了进程的概念，为了解决系统的并发性、共享性和随机性，并使进程能协调地工作，单靠计算机硬件提供的功能是十分不够的。例如，进 程调度工作目前就不能用硬件来实现；而进程自己调度自己也是困难的。所以，系统必须有一个软件部分能对硬件处理器及有关资源进行首次改造，以便给进程的执 行提供良好运行环境，这个部分就是操作系统的内核。
　　由于操作系统设计的目标和环境不同，内核的大小和功能有很大差别。有些设计希望把内核做得 尽量小仅具有极少的必需功能，称为微内核（microkernel），其他功能都在核外实现，通过微内核提供的消息传递机制完成其余功能模块间的联系；有 些设计则希望内核具有较多的功能，虽然其内部也可划分成层次或模块，但运行时是一个大二进制映像，模块间的联系可通过函数或过程调用实现，称为单内核 （monolithic kernel）。操作系统的一个基本问题就是内核的功能设计。微内核结构是现代操作系统的特征之一，这种方法把内核和核外服务程序的开发分离，可为特定应 用程序或运行环境要求定制服务程序，具有较好的可伸缩性，简化了实现，提供了灵活性，很适合分布式系统的构造。
　　一般而言，内核必须提供以下3个方面的功能。
　 　（1）中断处理。中断处理是内核中最基本的功能，也是操作系统赖以活动的基础，为了缩短屏蔽中断的时间，增加系统内的并发性，通常它仅仅进行有限的、简 短的处理，其余任务交给在内核之外的特殊用户态进程完成。当中断事件产生时，先由内核截获并转向中断处理例行程序进行原则处理，它分析中断事件的类型和性 质，进行必要的状态修改，然后交给内核之外的进程去处理。例如，产生外围设备结束中断事件时，内核首先分析是否正常结束，如果是正常结束，那么，就应释放 等待该外围传输的进程；否则启动相应设备管理进程进行出错或异常处理。又如当操作员请求从控制台输入命令时，内核将把这一任务转交给命令管理进程去处理， 以接收和执行命令。
　　（2）短程调度。主要职能是分配处理器。当系统中发生了一个事件之后，可能一个进程要让出处理器，而另一个进程又要获得处 理器。短程调度按照一定的策略管理处理器的转让，以及完成保护和恢复现场的工作。由于它是协调进程竞争处理器资源的程序，所以它不是进程而是内核中的一个 程序。
　　（3）原语管理。原语是内核中实现某一功能的不可中断过程。为了协调进程完成通信、并发执行和共享资源，各种原语是必不可少的。通信原 语为进程相互传递消息，同步原语能协调并发进程之间的种种制约关系。此外，还有其他原语，如启动外围设备工作的启动原语，若启动不成功则请求启动者应等 待，显然，这个启动过程应该是完整的，否则在成为等待状态时，可能外围设备已经空闲。由于设备的操作与硬件密切相关，故通常设备驱动程序等功能都放在内核 中完成。
　　内核是操作系统对裸机的首次改造，内核和裸机组成了一台虚拟机，进程就在这台虚拟机上运行，它比裸机的功能更强大，具有以下特性：
　　（1）虚拟机没有中断，因而，进程的设计者不再需要有硬件中断的概念，用户进程执行中无须处理中断；
　　（2）虚拟机为每个进程提供了一台虚拟处理器，每个进程就好像在各自的私有处理器上顺序地推进，实现了多个进程的并发执行；
　　（3）虚拟机为进程提供了功能较强的指令系统，即它们能够使用机器非特权指令、系统调用和原语所组成的新的指令系统。
　 　为了保证系统的有效性和灵活性，设计内核应遵循少而精的原则。如果内核功能过强，则一方面在修改系统时可能牵动内核；另一方面它占用的内存容量和执行时 间都会增大，且屏蔽中断的时间过长也会影响系统效率。因而，设计内核时应注意：中断处理要简单；调度算法要有效；原语应灵活有力、数量适当。这样就可以做 到下次修改系统时，尽量少改动内核，执行时中断屏蔽时间缩短。
　　2．进程管理
　　程序本身并不能做什么，只有在CPU执行它的指令时才 能有所作为；因此，可以把进程看做是正在运行的程序。但是当我们进一步研究时，对进程的定义将更为普遍。例如：一个分时用户程序（如编译器）是一个进程， 个人用户在PC 上运行的字处理程序是一个进程，一个系统任务（如输出到打印机）也是一个进程，并可以提供允许进程创建与其并发执行的子进程的系统调用。
　 　进程需要特定的资源（包括CPU时间、内存、文件和I/O设备）来完成工作。这些资源或者在进程创建时分配给它，或者在其运行时分配。除了在进程创建时 所获得的各种物理资源和逻辑资源以外，各种各样的初始化数据（或输入）也可能一同传送给进程。例如，考虑一个能够在终端的显示屏上显示一个文件状态的进 程。这个进程将获得包含输入的文件名，将执行相应的指令和系统调用来获取所期望的信息并显示在终端上。
　　着重强调程序本身不是进程；程序是静态 实体（passive entity）（好像是存储在磁盘中的文件的内容），而进程是动态实体（active entity），它用一个程序计数器来指明要执行的下一条指令。进程必须要按顺序执行，CPU执行完进程的一条指令后再执行下一条，直到进程结束。进一步 地讲，一次最多执行一条代表该进程的指令。这样，从来就不会出现两个独立运行的序列。但一个程序在运行时创建多个进程是非常普遍的。
　　进程是并 发程序设计的一个工具，并发程序设计支撑了多道程序设计，由于进程能确切、动态地刻画计算机系统内部的并发性，更好地解决系统资源的共享性，所以，在操作 系统的发展史上，进程概念被较早地引入了系统。它在操作系统的理论研究和设计实现上均发挥了重要作用。采用进程概念使得操作系统结构变得清晰，主要表现如 下。
　　（1）一个进程到另一个进程的控制转移由进程调度机构统一管理，不能杂乱无章，随意进行。
　　（2）进程之间的交互如信号发送、消息传递和同步互斥等活动由通信及同步机制完成，从而使进程无法有意或无意破坏其他进程的数据。因此，每个进程相对独立，相互隔离，提高了系统的安全性和可靠性。
　　（3）进程结构较好地刻画了系统的并发性，动态地描述出系统的执行过程，因而具有进程结构的操作系统，结构清晰、整齐划一，可维护性好。
　　3．主存储器管理
　 　主存储器是现代计算机系统运行的核心。主存储器是由字或字节组成的大型队列，每个字或字节都有它自己的地址。主存储器是CPU 和I/O 设备共享的大容量快速存储器。中央处理器在取指令周期中从主存储器中读取指令，而且在取数据周期中从主存储器中读/写数据。通过DMA（动态内存存 取），I/O操作也实现了对主存储器的数据读/写。通常主存储器是CPU唯一能够直接寻址和访问的大容量存储空间。例如，CPU要处理磁盘中的数据，那么 CPU首先发出I/O调用将这些数据传送到主存储器中。同样，指令必须在存储器中才能够由CPU执行。
　　必须要把程序映射到绝对地址并载入内存中才可以执行。在程序运行时，它通过产生绝对地址来从内存中访问程序指令和数据。最后，程序结束，释放所占的内存空间，方便下一个程序载入。
　　为了提高CPU利用率和计算机响应速度，必须在内存中保留多个程序。有许多不同的内存管理策略，而且不同算法的效率取决于具体的环境。为具体的系统选择内存管理策略要考虑许多因素——尤其是系统的硬件设计。每种算法都需要自己的硬件支持。
　　操作系统要负责下列与内存管理相关的工作：
　　跟踪内存使用情况，明确哪一部分正在使用和为谁所用；
　　在内存空间有效时决定将哪个进程载入内存；
　　根据需要分配和释放内存空间。
　　4．文件管理
　 　文件管理是操作系统中可视性最强的组件之一。计算机能够将数据存储在各种类型的物理介质上。磁带、磁盘和光盘是最常用的介质。每种介质都有自己的特性和 物理结构。每个存储媒体由一个驱动器控制（如磁盘驱动器或磁带驱动器），这种驱动器也有自己的独有特性。这些特性包括访问速度、容量、数据传输率和存取方 式（顺序的或随机的）。
　　为了便于使用计算机系统，操作系统提供了一个计算机系统的整体逻辑层面。操作系统把存储设备的物理属性抽象定义为一个逻辑存储单元——文件。文件被映像到物理媒介中，通过存储设备来访问这些文件。
　 　文件是由其创建者定义的相关信息的集合。一般的文件表现为程序（源程序和目标代码）和数据。数据文件可能是数字的、字母的或二者混合的。文件可能是形式 自由的（如文本文件），也可能有严格定义的格式（如固定字段）。由字、字节、行或记录组成的文件结构是其创建者定义的。文件概念具有相当广泛的含义。
　　操作系统通过管理大容量存储体（如由驱动器控制的磁盘和磁带）实现了文件的抽象概念。另外，为了更简易地使用文件，通常将他们组织到目录中。最后，如果有多个用户访问文件，可能需要控制谁以什么样的方式访问（例如：读、写、追加）。
　　操作系统要负责下列与文件管理相关的工作：
　　创建和删除文件；
　　创建和删除目录；
　　将文件映像到辅助存储器中；
　　将文件备份到永久（非易失性）存储体中。
　　5．I/O系统管理
　　操作系统的目的之一就是要向用户隐藏具体的硬件特性。例如，在UNIX 中，通过I/O 子系统向操作系统隐藏了I/O设备的特性。I/O子系统由以下几个方面组成：
　　一个内存管理模块，这包括Buffering、Caching 和SPOOLing；
　　一个通用设备驱动程序接口；
　　针对具体硬件设备的驱动程序。
　　6．辅助存储器管理
　 　操作系统的主要目的是执行程序。这些程序在运行时（以及它们要访问的数据）都必须在主存储器中。因为主存储器的容量太小不能存储所有的程序和数据，而且 掉电后会丢失所有的存储信息，所以计算机系统必须要提供辅助存储器作为主存储器的后备。大多数现代计算机系统使用磁盘作为存储程序和数据的主要联机存储 体。大多数程序（包括编译程序、汇编程序、排列程序、编辑程序和格式化程序）在载入内存之前存储在磁盘上，并且在运行时利用磁盘存储它们所处理的源文件和 目标文件。因此，合理的磁盘管理对一个计算机系统来说是至关重要的。
　　操作系统要负责下列与辅助存储器管理相关的工作：
　　空闲空间管理；
　　空间分配；
　　磁盘调度。
　　因为频繁地使用辅助存储器，所以必须要能够高效运行。而且计算机的整体运行速度取决于磁盘子系统的速度和该子系统实现算法的效率。
　　7．网络管理
　 　分布式系统是一个处理机的集合，这些处理机既不共享内存和外围设备，也不共享时钟。而是每个处理机拥有自己的本地内存和时钟，并且这些处理机可以通过各 种通信线路（如高速总线或网络）进行通信。一个分布式系统中的处理机在规模和功能上有所不同，其中可能包括小型微处理器、工作站、小型机和大型通用计算 机。
　　在（分布式）系统中，处理机通过通信网络相连接，有多种不同的方法可以配置该网络。这种网络可以完全或部分地连接。通信网络的设计必须要考虑报文路由选择和连接策略，以及争用和安全的问题。
　 　分布式系统将物理上相互独立的可能不同种类的系统集合成为一个独立相连的系统，它具有向用户提供访问由系统维护的各种资源的能力。对共享资源的访问加快 了计算速度、增强了系统功能、提高了数据的可用性并加强了可靠性。操作系统把网络细节包含在了网络接口设备驱动程序中，于是将网络访问泛化为一种文件访问 的形式。因此，分布式系统所使用的协议在很大程度上影响到系统的效率和普及。
　　8．系统保护
　　如果一个计算机系统有多个用户并允许并行执行多个进程，那么必须要保护各个进程免受其他进程的侵扰。为此，需要提供一种机制来保证只有那些从操作系统获取了合适权限的进程能够操作文件、存储段、CPU和其他资源。
　　例如，内存寻址硬件确保了一个进程只能在自己的地址空间内执行，计时器确保进程最终能够放弃对CPU的控制，用户不能够访问设备控制寄存器；这样，就保护了各种外围设备的完整性。
　　保护是操作系统定义的控制程序，是进程或用户访问的机制。这个机制必须要提供一种方法来描述要施加的控制，以及强制执行的方法。
　　通过检测子系统接口中潜伏的错误，保护能够增强系统的可靠性。对接口错误的早期检测常常能够阻止一个子系统故障波及到其他正常的子系统。一个未受保护的资源难以防止未授权或不适当的用户的使用（或误用）。一个面向保护的系统提供了一种区分授权的和未授权的使用方法。
　　9．操作系统服务
　　操作系统提供了程序运行的环境。它为程序和程序用户提供了特定的服务。当然，不同的操作系统提供的具体服务不同，但是我们能够找出其共同部分。提供的这些操作系统服务是为了便于程序员设计程序。具体如下。
　　程序执行：系统必须能够将程序载入内存并运行它。程序必须能够正常地或异常地（指示错误）结束运行。
　 　I/O 操作：一个正在运行的程序可能要请求I/O 操作。这可能会涉及文件或I/O 设备。针对具体的设备，需要特定的功能（如倒卷一个磁带驱动器或清空一个CRT屏幕显示）。出于系统效率和保护的原因，用户通常不能够直接控制I/O 设备。因此，操作系统必须要提供一种I/O 运行机制。
　　文件系统处理：文件系统相当有意思。显然，程序需要能够读写文件，也要能够创建和删除文件。
　 　通信：在很多情况下，一个进程需要与另外一个进程交换信息。通信有两种主要的方式。第一种方式是在运行在同一台计算机上的进程间通信；另外一种方式是运 行在由一个计算机网络连接的不同的计算机系统上的进程间通信。可以通过共享存储器或报文传送（这种方式中，操作系统在进程之间将信息打包移动）的方式实现 进程间的通信。
　　错误检测：操作系统需要经常注意可能发生的错误。错误可能发生在CPU、内存（如存储错误或电源故障）、I/O 设备（如磁带奇偶检验错误、连结网络失败或打印机缺纸）及用户程序（如运算溢出、试图访问非法存储器地址或过多占用CPU 时间）中。对于每种类型的错误，操作系统应该能够采取针对性措施以确保计算的正确性和相容性。
　　另外，操作系统还存在另外一些功能，它们不是为了帮助用户工作，而是为了确保系统本身的高效运行。如：
　 　资源分配：当多个用户登录到系统中或同时有多个作业运行时，必须要在它们之间分配资源。操作系统管理许多不同类型的资源。有些资源（如CPU 周期、主存储器和外存储器）可能有专用的分配代码，而其他的（如I/O 设备）可能有更通用的请求和释放代码。例如，在决定如何最好地使用CPU 的问题上，操作系统的CPU 调度程序要考虑CPU 速度、必须要执行的作业、有效的寄存器数量和其他的一些因素；
　　账户管理：我们希望跟踪记录每个用户使用哪些类型的计算机资源和用了多少。这个记录保持可能用于记账（以便用户付账）或简单地用于累加使用率统计。对于研究者来说，使用率统计可能是个有效的工具。利用使用率统计，研究者可以重新配制系统以改善计算服务；
　 　保护：存储在多用户计算机系统上的信息的所有者希望能够控制对该信息的使用。当多个不相关的进程并发执行时，一个进程不应该能够干扰其他进程或操作系统 本身。保护包括了监控所有对系统资源的访问。对来自外界的系统安全检测（security）也是非常重要的。这种保护往往通过密码的方式，用户向系统验证 口令才能访问资源。它也包括了保护外部I/O 设备（包括调制解调器和网络适配器）免于非法的访问企图和记录所有这样的非法闯入。如果一个系统受到保护并且是安全的，那么就必须要建立预防措施。一般， 系统的安全强度与其最薄弱的一个环节密切相关。

1.2.2 操作系统功能的实现模型

　　操作系统本身是一组程序，像其他程序一样也在处理器上执行，那么，操作系统程序是否组织成进程？它是如何控制和怎样执行的呢？下面来讨论这个问 题。从操作系统的执行方式来看，可以把它分成：非进程内核模型、OS功能（函数）在用户进程内执行的模型和OS功能（函数）作为独立进程执行的模型3种。
　　1．非进程内核模型
　 　许多老式操作系统的实现采用非进程内核模型，即操作系统的功能都不组织成进程来实现，如 图1-2所示，该模型包括一个较大的操作系统内核程序，进程的执行在内核之外。当中断发生时，当前运行进程的上下文现场信息将被保存，并把控制权传递给操 作系统内核。操作系统具有自己的内存区和系统堆栈区，用于控制过程调用和返回。它将在核心态执行相应的操作，并根据中断的类型和具体的情况，或者是恢复被 中断进程的现场并让它继续执行，或是转向进程调度指派另一个就绪进程运行。
　　在这种情况下，进程的概念仅仅是针对用户程序而言的，操作系统代码作为一个独立实体在内核模式下运行。

　　2．OS功能在用户进程内执行的模型
　　小型机和工作站操作系统（如UNIX等）往往采用OS的所有功能在用户进程内执行的模型，如图 1-3所示，在这种实现模型中，大部分操作系统功能组织成一组例行程序供用户程序调用，认为操作系统例程与用户进程是上下文相关的，操作系统的地址空间被 包含在用户进程的地址空间中；因而，操作系统例行程序也在用户进程的上下文环境中执行。图1-4给出了OS的所有功能在用户进程内执行的模型中的进程映 像，它既包含进程控制块、用户堆栈、容纳用户程序和数据的地址空间等，还包括操作系统内核的程序、数据和系统堆栈区。
　　当发生一次中断或系统调 用后，处理器状态将被置成内核模式，控制从用户进程手中被剥夺并传递给操作系统例行程序。此时，发生了模式切换，模式上下文（现场）信息被保存，但是进程 上下文切换并没有发生，操作系统仍在该用户进程中执行，提供单独的内核堆栈用于管理进程在核心态下执行时的调用和返回，操作系统例行程序和数据放在共享地 址空间，且被所有用户进程共享。

　　当操作系统例程完成了工作之后，如果让当前进程继续运行的话，就可以做一次模式切换来恢复执行原先被中断的用户进程。这种技术提供了不必要通过 进程上下文切换就可以中断用户进程来调用操作系统例行程序的手段。如果发生进程切换，控制就被传递给操作系统的进程切换例行程序，由它来实现进程切换操 作，把当前进程的状态置为非运行状态，而指派另一个就绪进程来占有处理器运行。需要指出的是，一些系统中进程切换例行程序是在当前进程中执行的，而另一些 系统则不是。
　　3．OS功能作为独立进程执行的模型
　　OS 功能作为独立进程执行的模型把操作系统组织成一组系统进程、即操作系统功能是这些系统进程集合运行的结果，这些系统进程也称为服务器或服务器进程，于是与 用户进程或其他服务器进程之间构成了Client/Server 关系，Windows 2000/XP采用了这种结构。如图1-5所示，除了极少部分功能在内核模式下运行，大部分操作系统功能被组织在一组分离的独立进程内实现，这组进程在用 户模式下运行，而进程切换例行程序的执行仍然在进程之外。

　　这一实现模型有很多优点。首先，它采用了模块化的操作系统实现方法，模块之间具有最少和简洁的接口。其次，大多数操作系统功能被组织成独立的进 程，有利于操作系统的实现、配置和扩充，如性能监控程序用来记录各种资源的利用率和系统中用户进程的执行速度，由于这些程序并不提供给进程特别的服务，仅 仅被操作系统调用，把它设计成一个服务器进程，便可赋予一定的优先级，夹在其他进程中运行。最后，这一结构在多处理器和多计算机的环境下非常有效，一些操 作系统服务可指派到专门处理器上执行，有利于系统性能的改进。