校招季——操作系统的概念

拼搏现实的明天。 2021-11-02 11:04 391阅读 0赞

2013/08/13，秋季校招准备工作第二天。今天七夕，没什么时间看书，只能把之前对《现代操作系统》第一章的总结发出来了。一直觉得操作系统和政府很像，后面那段有时间我再好好写一下。

# 1什么是操作系统 #

操作系统是一种运行在内核态的软件，它执行两个基本独立的任务：为应用程序提供一个资源集的清晰抽象，并管理这些硬件资源。

作为扩展机器的操作系统，任务是隐藏硬件的复杂特性，呈现给程序良好、清晰、优雅、一致的抽象。

操作系统主要提供的抽象有：

1.进程：对CPU的抽象，可以假设进程独占着CPU资源，减轻了程序员管理CPU资源的难度。

2.虚拟内存：对内存的抽象，不再需要程序员去管理物理内存的分配、交换、避免冲突等。

3.文件系统：对磁盘设备的抽象，隐藏了设备的复杂特性，为各种设备提供了一致的接口。

作为资源管理者的操作系统，任务是在相互竞争的程序之间有序地控制对处理器、存储器及其他I/O接口设备的分配。

资源管理包括用两种方式实现多路复用资源：

1.时间上复用：不同的程序轮流使用资源；

2.空间上复用：每个客户得到资源的一部分，例如分割内存、分配磁盘。

## 2系统调用 ##

如果一个用户态的进程需要一个系统服务，就必须执行一个陷阱或系统调用指令，将控制转移到操作系统，操作系统执行完系统调用后再把控制返回给在系统调用后跟随的指令。系统调用可能阻塞调用者。

陷入内核的指令是TRAP，与过程调用的指令CALL的区别是：

1.TRAP会切换到内核态，而CALL不会改变模式。

2.CALL可以跳转到任意地址上，TRAP只能跳转到固定地址或跳转表上的某个位置。

常用的系统调用：

1.进程管理：fork、exec、waitpid、exit。

2.文件管理：open、close、read、write、lseek、stat。

3.目录管理：mkdir、rmdir、link、unlink、mount、umount。

4.杂项：chdir、chmod、kill、time。

系统调用与库函数的区别：系统调用是操作系统提供的接口，库函数独立于操作系统，是对这些接口的封装。Unix中差不多每个系统调用都对应一个库函数。

## 3微内核与巨内核 ##

微内核的设计思想是：为了实现高可靠性，将操作系统划分成小的、良好定义的模块，只有其中一个模块——微内核——运行在内核态，其余模块则作为普通用户进程运行。目的是避免发生在辅助模块中的软件错误会导致整个内核崩溃。

微内核中的文件系统、驱动程序、用户界面等部分都以用户进程的形式存在，用户程序获得这些服务的方式就是与服务进程间通过IPC通信。

微内核的优点是：

1.高可靠性：用户态运行的某个模块出错不会影响微内核，系统有能力在检测到这个错误后重启相应的模块，而微内核体积很小，相应的出错概率也会大大降低。

2.安全性：除了基本的进程调度、中断处理等功能，其它系统服务都在用户态的地址空间内，每种服务只拥有完成其工作所需要的权限。

3.很强的定制性：对于不同的设备平台，只需要更换驱动程序即可，而正常操作系统中的一些内核态行为，如进程的调度策略等，也因为良好的模块化，可以进行定制。

微内核的缺点：无论哪种IPC手段，都比过程调用的效率要低得多，而且一项操作经常需要在内核态与两个进程（用户程序和系统服务进程）的地址空间之间反复切换。

巨内核：就是与微内核相反的传统操作系统，绝大多数系统服务都在内核态运行。优点和缺点也与微内核相反。

常见的微内核系统：QNX、Symbian、Minix等。

常见的巨内核系统：传统的Unix。

现在的一些操作系统则是混合了两种设计方法，内核中仍保留比较常用的系统服务，但可以将驱动程序、用户界面等组件移到用户态运行，并支持动态加载，如Windows NT、Mac OS X、Linux都在某种程序上属于混合内核。

打个比方就是，巨内核就是绝对的中央集权，优点是调动能力强，执行力高，缺点是一旦政府内部出现问题（内核出现错误）危害极大，且应变能力差。成功的巨内核都是需要良好设计、清晰接口的，不恰当的设计会将一切都弄得一团糟。

而微内核就是小政府，地方自治，政府的主要功能就是协调各区域和国土安全。优点是公权力的危害较小（因为权力较小），有比较强的应变能力，经常能有自下而上的改革，但缺点是大量的时间精力要花在各方的妥协上，同时如果没有一个强有力的政府去推行，难以实现跨区域的大规模的工程。

极端的往往是不好的，政治也是如此。现在的各大国，包括中国、美国，都是在朝着混合内核的方向发展着。

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