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　　1.4 操作系統(tǒng)結構設計

　　操作系統(tǒng)是一種大型、復雜的并發(fā)系統(tǒng)，為了研制操作系統(tǒng)，首先必須研究它的結構，力求設計出結構良好的程序。操作系統(tǒng)的結構設計有兩層含義：一是研究操作系統(tǒng)的整體結構，由程序的構成成分組成操作系統(tǒng)程序的構造過程和方法;二是研究操作系統(tǒng)程序的局部結構，包括數據結構和控制結構。采用不同的構件和構造方法可組成不同結構的操作系統(tǒng)。本節(jié)將在討論操作系統(tǒng)構件之后，全面介紹各種操作系統(tǒng)的構造方法。

　　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)的構件。剖析現(xiàn)代操作系統(tǒng)，構成操作系統(tǒng)的基本單位除內核之外，主要還有進程、線程、類程和管程。

　　1.內核

　　現(xiàn)代操作系統(tǒng)中大都采用了進程的概念，為了解決系統(tǒng)的并發(fā)性、共享性和隨機性，并使進程能協(xié)調地工作，單靠計算機硬件提供的功能是十分不夠的。例如，進程調度工作目前就不能用硬件來實現(xiàn);而進程自己調度自己也是困難的。所以，系統(tǒng)必須有一個軟件部分能對硬件處理器及有關資源進行首次改造，以便給進程的執(zhí)行提供良好運行環(huán)境，這個部分就是操作系統(tǒng)的內核。

　　由于操作系統(tǒng)設計的目標和環(huán)境不同，內核的大小和功能有很大差別。有些設計希望把內核做得盡量小僅具有極少的必需功能，稱為微內核(microkernel)，其他功能都在核外實現(xiàn)，通過微內核提供的消息傳遞機制完成其余功能模塊間的聯(lián)系;有些設計則希望內核具有較多的功能，雖然其內部也可劃分成層次或模塊，但運行時是一個大二進制映像，模塊間的聯(lián)系可通過函數或過程調用實現(xiàn)，稱為單內核(monolithic kernel)。操作系統(tǒng)的一個基本問題就是內核的功能設計。微內核結構是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征之一，這種方法把內核和核外服務程序的開發(fā)分離，可為特定應用程序或運行環(huán)境要求定制服務程序，具有較好的可伸縮性，簡化了實現(xiàn)，提供了靈活性，很適合分布式系統(tǒng)的構造。

　　一般而言，內核必須提供以下3個方面的功能。

　　(1)中斷處理。中斷處理是內核中最基本的功能，也是操作系統(tǒng)賴以活動的基礎，為了縮短屏蔽中斷的時間，增加系統(tǒng)內的并發(fā)性，通常它僅僅進行有限的、簡短的處理，其余任務交給在內核之外的特殊用戶態(tài)進程完成。當中斷事件產生時，先由內核截獲并轉向中斷處理例行程序進行原則處理，它分析中斷事件的類型和性質，進行必要的狀態(tài)修改，然后交給內核之外的進程去處理。例如，產生外圍設備結束中斷事件時，內核首先分析是否正常結束，如果是正常結束，那么，就應釋放等待該外圍傳輸的進程;否則啟動相應設備管理進程進行出錯或異常處理。又如當操作員請求從控制臺輸入命令時，內核將把這一任務轉交給命令管理進程去處理，以接收和執(zhí)行命令。

　　(2)短程調度。主要職能是分配處理器。當系統(tǒng)中發(fā)生了一個事件之后，可能一個進程要讓出處理器，而另一個進程又要獲得處理器。短程調度按照一定的策略管理處理器的轉讓，以及完成保護和恢復現(xiàn)場的工作。由于它是協(xié)調進程競爭處理器資源的程序，所以它不是進程而是內核中的一個程序。

　　(3)原語管理。原語是內核中實現(xiàn)某一功能的不可中斷過程。為了協(xié)調進程完成通信、并發(fā)執(zhí)行和共享資源，各種原語是必不可少的。通信原語為進程相互傳遞消息，同步原語能協(xié)調并發(fā)進程之間的種種制約關系。此外，還有其他原語，如啟動外圍設備工作的啟動原語，若啟動不成功則請求啟動者應等待，顯然，這個啟動過程應該是完整的，否則在成為等待狀態(tài)時，可能外圍設備已經空閑。由于設備的操作與硬件密切相關，故通常設備驅動程序等功能都放在內核中完成。

　　內核是操作系統(tǒng)對裸機的首次改造，內核和裸機組成了一臺虛擬機，進程就在這臺虛擬機上運行，它比裸機的功能更強大，具有以下特性：

　　(1)虛擬機沒有中斷，因而，進程的設計者不再需要有硬件中斷的概念，用戶進程執(zhí)行中無須處理中斷;

　　(2)虛擬機為每個進程提供了一臺虛擬處理器，每個進程就好像在各自的私有處理器上順序地推進，實現(xiàn)了多個進程的并發(fā)執(zhí)行;

　　(3)虛擬機為進程提供了功能較強的指令系統(tǒng)，即它們能夠使用機器非特權指令、系統(tǒng)調用和原語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，設計內核應遵循少而精的原則。如果內核功能過強，則一方面在修改系統(tǒng)時可能牽動內核;另一方面它占用的內存容量和執(zhí)行時間都會增大，且屏蔽中斷的時間過長也會影響系統(tǒng)效率。因而，設計內核時應注意：中斷處理要簡單;調度算法要有效;原語應靈活有力、數量適當。這樣就可以做到下次修改系統(tǒng)時，盡量少改動內核，執(zhí)行時中斷屏蔽時間縮短。

　　2.進程管理

　　程序本身并不能做什么，只有在CPU執(zhí)行它的指令時才能有所作為;因此，可以把進程看做是正在運行的程序。但是當我們進一步研究時，對進程的定義將更為普遍。例如：一個分時用戶程序(如編譯器)是一個進程，個人用戶在PC 上運行的字處理程序是一個進程，一個系統(tǒng)任務(如輸出到打印機)也是一個進程，并可以提供允許進程創(chuàng)建與其并發(fā)執(zhí)行的子進程的系統(tǒng)調用。

　　進程需要特定的資源(包括CPU時間、內存、文件和I/O設備)來完成工作。這些資源或者在進程創(chuàng)建時分配給它，或者在其運行時分配。除了在進程創(chuàng)建時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據(或輸入)也可能一同傳送給進程。例如，考慮一個能夠在終端的顯示屏上顯示一個文件狀態(tài)的進程。這個進程將獲得包含輸入的文件名，將執(zhí)行相應的指令和系統(tǒng)調用來獲取所期望的信息并顯示在終端上。

　　著重強調程序本身不是進程;程序是靜態(tài)實體(passive entity)(好像是存儲在磁盤中的文件的內容)，而進程是動態(tài)實體(active entity)，它用一個程序計數器來指明要執(zhí)行的下一條指令。進程必須要按順序執(zhí)行，CPU執(zhí)行完進程的一條指令后再執(zhí)行下一條，直到進程結束。進一步地講，一次最多執(zhí)行一條代表該進程的指令。這樣，從來就不會出現(xiàn)兩個獨立運行的序列。但一個程序在運行時創(chuàng)建多個進程是非常普遍的。

　　進程是并發(fā)程序設計的一個工具，并發(fā)程序設計支撐了多道程序設計，由于進程能確切、動態(tài)地刻畫計算機系統(tǒng)內部的并發(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)的理論研究和設計實現(xiàn)上均發(fā)揮了重要作用。采用進程概念使得操作系統(tǒng)結構變得清晰，主要表現(xiàn)如下。

　　(1)一個進程到另一個進程的控制轉移由進程調度機構統(tǒng)一管理，不能雜亂無章，隨意進行。

　　(2)進程之間的交互如信號發(fā)送、消息傳遞和同步互斥等活動由通信及同步機制完成，從而使進程無法有意或無意破壞其他進程的數據。因此，每個進程相對獨立，相互隔離，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

　　(3)進程結構較好地刻畫了系統(tǒng)的并發(fā)性，動態(tài)地描述出系統(tǒng)的執(zhí)行過程，因而具有進程結構的操作系統(tǒng)，結構清晰、整齊劃一，可維護性好。

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