操作系统的体系结构、内核、虚拟机

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石可破也，而不可夺坚；丹可磨也，而不可夺赤。

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一、操作系统体系结构

1.1操作系统的内核

• 内核是操作系统最基本、最核心的部分
• 实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序
• 与硬件关系较紧密的模块：
• • 时钟管理：实现计时功能
• • 中断处理：负责实现中断机制
• • 原语：
  • • 是一种特殊的程序
  • • 处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
  • • 这种程序的运行具有原子性 – – 其运行只能一气呵成，不可中断
  • • 运行时间较短、调用频繁
• 对资源系统进行管理的功能：
• • 进程管理
• • 存储器管理
• • 设备管理
• 注意：这些管理工作更多的是对数据结构的操作，不会直接涉及硬件

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• 注意：
• • 操作系统内核需要运行在内核态
• • 操作系统非内核功能运行在用户态

1.1.1大内核（又名：宏内核/单内核）

• 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态
• 优点：高性能
• 缺点：
• • 1.内核代码庞大，结构混乱，难以维护
• • 2.大内核中某个功能模块出错，就可能导致整个系统崩溃
• 典型的大内核/宏内核/单内核 操作系统：Linux、UNIX
• 特征、思想：
• • 所有系统功能都放在内核里（大内核结构的OS通常也采用了“模块化”的设计思想）

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1.1.2微内核

• 只把最基本的功能保留在内核
• 优点：
• • 1.内核功能少，结构清晰，方便维护，内核可靠性高
• • 2.内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统崩溃
• 缺点：
• • 1.需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低
• • 2.用户态下的各功能模块不可以直接相互调用，只能通过内核的“消息传递”来间接通信
• 典型的微内核操作系统：Windows NT

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1.3分层结构

• 特征、思想：内核分多层，每层可单向调用更低一层提供的接口
• 优点：
• • 1.便于调试和验证、自底向上逐层调试验证
• • 2.易扩充和易维护，各层之间调用接口清晰固定
• 缺点：
• • 1.仅可调用相邻低层，难以合理定义各层的边界
• • 2.效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长

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1.4模块化

模块化是将操作系统按功能划分为若干个具有一定独立性的模块，每个模块具有某方面的管理功能，并规定好各模块间的接口，使各模块之间能通过接口进行通信，还可以进一步将各模块细分为若干个具有一定功能的子模块，同样也规定好各子模块之间的接口，把这种设计方法称为模块–接口法。

• 特征、思想：将内核分为多个模块，各模块之间相互协作
• 内核=主模块+可加载内核模块
• 主模块：只负责核心功能，如进程调度、内存管理
• 可加载内核模块：可以动态加载新模块到内核，而无需重新编译整个内核
• 优点：
• • 1.模块间逻辑清晰易于维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发
• • 2.支持动态加载新的内核模块（如：安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核），增强OS适应性
• • 3.任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用详细传递进行通信，效率高
• 缺点：
• • 1.模块间的接口定义未必合理
• • 2.模块间相互依赖，更难调试和验证

1.5外核(exokernel)

• 特征、思想：内核负责进程调度、进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核负责保证资源使用安全
• 优点：
• • 1.外核可直接给用户进程分配“不虚拟、不抽象”的硬件资源，使用户进程可以更灵活的使用硬件资源
• • 2.减少了虚拟硬件资源的“映射层”，提升效率
• 缺点：
• • 1.降低了系统的一致性
• • 2.是系统变得更复杂

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二、操作系统引导

2.1什么是操作系统引导？

操作系统引导：开机的时候，怎么让操作系统运行起来

安装操作系统后：

• 磁盘包括：
• • 主引导记录（MBR）（包含：磁盘引导程序和分区表）
• • C：盘
• • D：盘
• • E：盘等
• • C：盘中又包含：
  • • 引导记录PBR（负责找到“启动管理器”）
  • • 根目录
  • • 其他
• 主存：
• • 由ROM（BIOS）包含：ROM引导程序，即自举程序和RAM组成

2.2操作系统引导过程

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• 1.CPU从一个特定的主存地址开始，取指令，执行ROM中的引导程序（先进行硬件自检，再开机）
• 2.将磁盘的第一块 – – 主引导记录读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表
• 3.从活动区（又称主分区，即安装了操作系统的分区）读入分区引导记录，执行其中的程序
• 4.从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（启动管理器）并执行，完成“开机”的一系列动作

三、虚拟机

• 虚拟机：使用虚拟化技术，将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器（Virtual Machien ,VM）,每个虚拟机器都可以独立运行一个操作系统
• 同义术语：虚拟机管理程序/虚拟机监控程序/Virtual Machien Monitor（VMM）/Hypervisor

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• 两类虚拟机管理程序（VMM）的对比

	第一类VMM	第二类VMM
对物理资源的控制权	直接运行在硬件之上，能直接控制和分配物理资源	运行在Host OS之上，依赖于Host OS为其分配的物理资源
资源分配方式	在安装Guest OS时，VMM要在原本的硬盘上自行分配存储空间，类似于“外核”的分配方式，分配未经抽象的物理硬件	Guest OS拥有自己的细腻==虚拟硬盘，该硬盘实际上是Guest OS文件系统中的一个大文件，Guest OS分配到的内存是虚拟内存
性能	性能更好	性能更差，需要Guest OS作为“中介”
可支持的虚拟机数量	更多，不需要和Guest OS竞争资源，相同的硬件资源可以支持更多的虚拟机	更少，Guest OS本身需要使用物理资源，Guest OS上运行的其他进程也需要物理资源
虚拟机的可迁移性	更差	更好，只需导出虚拟机镜像文件即可迁移到另一台Guest OS上，商业化应用更广泛
运行模式	第一类VMM运行在最高特权级（Ring O），可以执行最该特权的指令	第二类VMM部分运行在用户态、部分运行在内核态，Guest OS发出的系统调用会被VMM截获，并转化为VMM对Guest OS的系统调用