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Operating-System Structures

约 2123 个字 预计阅读时间 11 分钟

OS Services

从用户角度来看，OS 提供了一系列有用的服务：

  • User Interface: 包括 Command-Line(CLI), Graphics User Interface(GUI) 和 Batch 等
  • Program Execution: 提供将程序加载进内存执行的能力
  • I/O Operations: 一个正在运行的程序可能需要 I/O，涉及 File 和 I/O Device 的管理
  • File System Manipulation: 文件的增删改查，以及权限管理等
  • Communications: 进程之间有时需要交换信息，这一交换也有可能是通过网络的不同主机之间的
    • 交流可以通过 Shared Memory 或 Message Passing 等方式实现
  • Error Detection: OS 需要时刻注意潜在的错误
    • 对于每一种错误，OS 都需要采取合适的对策保证正确性与计算的连贯性

而从 System 的角度来看，OS 提供了以下服务：

  • Resource Allocation: 资源需要在多用户、多进程之间分配
  • Accounting: 跟踪哪个用户使用多少资源和哪种资源
  • Protection and Security:
    • Protection 包括确保所有系统资源的访问都是受控的
    • Security 包括对外来者进行用户认证、对外部 I/O 设备进行检查

System Calls

System Calls 是 OS 提供的编程接口服务，大部分用户都通过打包后的高层 Application Program Interface（API） 来间接调用。

实现上，CPU 的运行模式被分为用户态（User Mode）和内核态（Kernel Mode）。当 CPU 处于用户态时，CPU 只能执行非特权指令。通常，我们的应用程序运行在用户态，而操作系统内核运行在内核态。

虽然我们可以在用户态调用相关的 Syscall 指令，但是执行系统调用时会发生特权级的切换，因此它属于特权相关指令（privilege-sensitive）。

三个最普遍的 API

  • Win32 API for Windows
  • POSIX API for POSIX-based Systems
    • 几乎所有的 UNIX, 以及 Linux 和 MacOS
  • Java API for JVM

凡是与资源相关的操作，都必须通过系统调用向操作系统提出服务请求。按照功能，System Calls 可以分为以下几类：

  • Process Control
  • File Management
  • Device Management
  • Information Maintenance (e.g. time, date)
  • Communications
  • Protection

一些举例

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每一个系统调用都有唯一编号，当用户程序发起系统调用时，通过一个 table 查找到对应的内核服务。

因此对于调用者来说，应用程序只需要按照 API 的规范调用函数，而不必知道系统调用在内核里的具体实现。

例如 printf() API 中就包含了 write() 这一系统调用

topic2_1.png

很多系统调用还需要一些参数，通常有三种传递方法：

  • <1> Pass the parameters in registers
    • 但是有时候需要的参数大于可用的寄存器数量
  • <2> Parameters stored in a block(or table) in memory, and address of block passed as a paramter in register
    • 这也是 Linux 和 Solaris 使用的方法
  • <3> Parameters pushed onto the stack by user program and popped off by the OS

System Programs 本身并不是 kernel 的一部分，但是它们依赖系统调用来完成任务，这些程序为用户提供了一个更方便的工作环境，它们简化了编程、运行、文件管理等操作。系统程序可分类为：

  • File Manipulation 文件操作
    • 对 files 和 directories 进行 Create, Delete, Copy, Rename, Print, Dump, List 等操作
    • cp, rm, dir, ls...
  • Status Information 状态信息
    • 显式系统运行状态、资源使用情况
    • top, ps, df...
  • File Modification 文件修改
    • 文本编辑器
    • vim, nano...
  • Programming Language Support 编程语言支持
    • Compilers, Assemblers, Debuggers, Interpreters
    • gcc, python, gdb...
  • Program Loading & Execution 程序加载与执行
    • Loaders
    • ld, exec...
  • Communications 通信
    • 为进程之间、用户之间、不同系统之间建立 virtual connections
    • ssh, ftp...

OS Structure

随着操作系统功能的不断增多和代码规模的不断扩大，提供合理的结构，对降低操作系统复杂度、提升操作系统安全与可靠性来说变得尤为重要。

分层法

分层法将操作系统被划分为多个层次，每个层次都只能使用它的下一层提供的 functions 和 services，这是一个单向依赖。

最底层（layer 0）为硬件，最高层（layer N）为 User Interface

最原始的 UNIX OS 只包含 System Programs 和 Kernel 两个层次，它在一定程度上分层，属于 单体结构 Monolithic Structure：

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分层法简化了系统的设计与调试，易于扩充维护，但是会导致依赖关系固定后显得不灵活，并且执行每个功能都需要自上而下穿越多层，效率较差。

Microkernel

按照操作系统的内核架构来划分，可以分为宏内核和微内核两种。

Microkernel 的思想希望把本来放在内核里的功能尽量移动到用户态（User Space）中运行，不同模块之间通过 Message Passing 进行交流。这一思想的优点包括：

  • 可扩展性 (Easier to extend)：新功能可以作为用户态服务加进来，不必改内核。
  • 可移植性 (Easier to port)：只要把小小的微内核移植到新硬件，其余用户态服务几乎不用大改。
  • 可靠性 (More reliable)：出 bug 的代码大部分跑在用户态，崩溃不会导致整个系统崩溃，只需要重启对应模块即可。
  • 安全性 (More secure)：内核态代码少，攻击面更小。

为了提供应用程序与同样运行在用户空间中的各种服务的通信，微内核需要频繁地在用户态和内核态进行切换，操作系统的执行开销较大，从而导致了明显的性能问题。

一个经典的微内核架构如下：

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MacOS 属于混合型架构

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目前的主流操作系统虽然都是宏内核架构，但也吸收很多微内核架构的优点

模块化

大多数现代 OS 都采用了内核模块化设计（Kernel Modules），它采用面向对象设计，将各个核心功能都做成独立模块。不同模块之间不使用 Message Passing，而是直接调用彼此的接口函数，因此效率更高。

上面提到的分层法就是实现系统模块化的一种方式。而可加载内核模块 loadable kernel modules, LKM在实现上更加优秀，相比于分层法，它允许任何模块都能直接调用其它模块的接口。在启动时，内核的核心模块会被加载；而运行时需要用到其它模块功能时才会加载对应模块。

例如，Solaris 的 Modular Approach 设计如下：

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Virtual Machines

虚拟机将硬件+内核整体看作“硬件层”，在它上面再做了一层抽象。VM 对运行在之上的软件提供和真实物理硬件一样的接口，从而让操作系统或应用感觉自己直接跑在真实机器上。

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System Boot

每台具体机器的硬件环境并不相同，操作系统使用程序 SYSGEN 收集硬件配置信息，从而针对该机器生成适配版本。

计算机启动时，需要把 Kernel 装进内存中并开始执行，这个过程称为 Booting。

CPU 被硬编码为通电后立即跳转到内存地址空间中的一个特定位置，即 Bootstrap Program。它是存于 ROM 里的一小段代码，负责定位操作系统内核，把它加载到内存中，并启动运行。

Bootstrap & Bootloader

  • Bootstrap Program (引导程序/固件)
    • 位置：它是硬件的一部分。存放在主板的 ROM/Flash 芯片中（即 BIOS 或 UEFI）。
    • 本质：它是固件 (Firmware)。即使你的电脑硬盘被拆掉了，里面没有安装任何操作系统，这段代码依然存在且可以运行（比如你能进入 BIOS 设置界面）。
    • 职责：负责“叫醒”电脑硬件（自检），它的最后一项工作是找到硬盘上的 Bootloader。
    • Bootstrap Program 不属于操作系统
  • Bootloader (引导加载器)
    • 位置：它是软件。存放在你的硬盘（MBR、ESP分区）或 USB 启动盘上。
    • 本质：它是以文件形式存在的程序。如果你格式化硬盘，它就会消失。
    • 职责：负责“搬运”。它的核心工作是把操作系统内核（Kernel）从硬盘搬到内存里，然后把接力棒交给内核。
    • Bootloader 通常也不属于操作系统，但是它通常随操作系统配套安装
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