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1.4 操作系统结构和运行模型 1.4.1 操作系统的构件和结构 1.4.2 操作系统的运行模型 1.4.3 Windows 2003客户/服务器结构 1.4.1 操作系统构件和结构 操作系统设计呈现出以下特征： 复杂程度高， 生成周期长， 正确性难保证 。 操作系统结构设计有三层含义： 一是研究操作系统整体结构，如功能如何分块，相互如何交互，及考虑构造它的过程和方法； 二是研究操作系统程序局部结构，包括数据结构和控制结构； 三是操作系统运行时的组织，如系统是否组织成进程或线程?在系统空间还是在用户空间运行? 操作系统的构件 内核 进程 线程 类程 管程 1.操作系统的内核(1) 1)什么是内核? 2)内核分类：微内核和单内核。 3)Linux是单内核操作系统 ，Mach是微内核操作系统 ，Windows2003是C/S结构操作系统。 操作系统的内核 内核（kernel）是一组程序模块 作为可信软件来提供支持进程并发执行的基本功能和基本操作 通常驻留内存，运行于核心态 具有访问硬件设备和所有主存空间的权限 是仅有的能够执行特权指令的程序。 整体式结构的操作系统 操作系统的整体式结构又叫模块组合法，早期操作系统(如IBM操作系统)采用这种结构设计方法 ?主要设计思想：把模块作为操作系统的基本单位，按照功能需要组织模块。 ?主要设计步骤：分析、设计、编码、测试 ?主要优点：结构紧密、组合方便 ?主要缺点：模块独立性差，系统复杂性高 层次式结构的操作系统 层次式结构是把操作系统的实现划分为若干模块，这些模块按功能的调用次序排列成若干层次，各层之间只能是单向依赖或单向调用关系，这样不但系统结构清晰，而且不构成循环。 层次结构的由底向上方法和自顶向下方法 操作系统的内核(2) Linux单内核结构 用户态 系统库(函数库) 应用程序 系统调用接口 模块 内核(进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、网络管理) 设备 驱动 计算机硬件 核心态 单内核 客户/服务器与微内核结构操作系统 将操作系统分成两大部分 运行在用户态并以C/S方式活动的进程; 运行在核心态的内核 每个进程实现一类服务，称服务器进程(如文件服务、进程管理服务、存储管理服务、网络通信服务等)。它的任务是检查客户提出的服务请求，如果有则在满足客户的要求后返回结果。于是，用户进程与服务器进程形成了C/S关系 客户/服务器与微内核结构操作系统 运行在核心态的内核把客户消息传给服务器; 服务器执行相应操作，再通过内核用消息把结果返回给用户。 内核实现极少任务，主要起信息验证、交换的作用，因而称微内核(Microkernel)，这种OS结构也就称为客户/服务器与微内核结构。 客户/服务器与微内核结构操作系统示意 1） 分层结构内核 2） 微内核 进程管理 硬件 存储管理 设备管理 文件管理 作业管理 内 核 模 式 微内核 硬件 客户进程 安全服务 虚存管理器 文件服务器 设备驱动程序 用 户 模 式 客户/服务器与微内核结构操作系统的优点 1）一致性接口 2）可扩充性 3）可移植性 4）可靠性 5）支持分布式系统 6）支持面向对象的操作系统 系统的瓶颈：进程只能通过微内核相互通信 微内核提供的功能与服务（一般情况） 微内核必须包括: 直接依赖于硬件的功能 支撑操作系统用户模式的应用程序和服务所需的功能。 功能：存储管理、进程通信、I/O和中断管理 操作系统的内核(3)微内核结构 操作系统服务进程 客户 进程1 客户 进程2 文件服务器 进程服务器 主存服务器 …… 微内核(消息传递) 计算机硬件 用户 进程 用 户 态 核 心 态 客户通过微内核发送消息给文件服务器 内核的基本功能 基本功能: 资源抽象--- 资源分配--- 资源共享--- 内核的基本属性 基本属性: 内核是由中断驱动的 内核是不可抢占的 内核部分程序在屏蔽中断状态下执行 内核可以使用特权指令 内核虚拟机具有的特性 内核和裸机组成的虚拟机具有以下特性： 1）虚拟机没有中断， 2）虚拟机为每个进程提供了一台虚拟处理器， 3）虚拟机为进程或模块提供了功能较强的指令系统。 机制与策略分离 在策略与机制分离的操作系统中，解决应用问题均可分成两部分：“提供及实现确定的功能(机制)，常常将机制作为系统的可信软