考研408《操作系统》复习笔记，第三章《操作系统体系结构》
一、操作系统大致体系结构
宏观上看，主要就分为【非内核部分】和【内核部分】
一般来说，【非内核部分】就是GUI可视化界面
- 比如我们熟知的Ubuntu、CentOS系统，他们底层都是Linux，我们不管用哪一个系统，终究都是执行一样的Linux指令，但是他们的样子却完全不一样，这就是因为他们的各自的开发团队都是在开发【非内核部分】，而【内核部分】其实都是Linux的内核
【内核部分】就是涉及到底层硬件的一些操作程序，是操作系统里最最重要的东西，比如 “时钟管理程序、中断处理程序、原语程序（不会受中断信号而停下，一气呵成的程序）” 这些涉及直接操作底层硬件资源的程序，必须必须在内核部分！
- 但是有的系统会把 “进程管理、存储器管理、设备管理” 这些功能也放到内核部分，有的不会，这就区分出了两种结构类型的操作系统，后面我会讲
二、操作系统的内核
操作系统的内核是操作系统最重要的部分！！！
然后【时钟管理、中断处理、原语】这些【与硬件管理比较紧密的模块】必须在内核部分，不管是什么操作系统都一样
而内核部分是否包含【进程管理、存储器管理、设备管理】这些【对系统资源进行管理功能的】的部分，决定了这个操作系统是两大类——【大内核】、【微内核】的哪一种？
操作系统结构分为两大类：【大内核】、【微内核】
【大内核】：就是内核包含【进程管理、存储器管理、设备管理】这些【对系统资源进行管理功能的】的部分（大内核又称“宏内核” 、“单内核”）
【微内核】：内核不包含【进程管理、存储器管理、设备管理】这些【对系统资源进行管理功能的】的部分，只有跟硬件有关的功能
两种结构的性能区别：
我们知道要运行【非内核程序】CPU就要变成【用户态】，要运行【内核程序】CPU就要变成【内核态】
【大内核】：所以如果【进程管理、存储器管理、设备管理】这些都在内核部分的话，假设一个应用程序要用到【进程管理、存储器管理、设备管理】这些功能的时候，CPU只需要在【用户态】和【内核态】之间转变2次
不过内核的代码会非常多，结构混乱，不利于操作系统的开发人员维护，模块耦合度高
- 优点：性能高（CPU转变状态会消耗时间成本，少变几次性能就高了）
- 缺点：内核代码又多又臭，不便于维护
【微内核】：所以如果【进程管理、存储器管理、设备管理】这些不在内核部分的话，假设一个应用程序要用到【进程管理、存储器管理、设备管理】这些功能的时候，CPU需要在【用户态】和【内核态】之间转变6次！！
不过内核代码会简洁蛮多，内核模块只关注涉及硬件的那几个功能，耦合度低便于维护
- 优点：内核代码简洁，便于维护
- 缺点：性能低（CPU转变状态会消耗时间成本，多变几次性能就低了）
【总结】
三、五大类特性总结（选择题考优缺点）
1、分层结构（层次结构）
概念：内核分多个层次，从里到外每一层依次向临近的上一层提供接口服务（不能跨层）
优点：
- 1、便于调试和验证，因为可以自底向上逐层调试，每一层基于低一层的正确性来验证自己⭐
- 2、便于维护和扩充，各层之间调用接口清晰
缺点：
- 1、各层级之间的划分界限不明确，比如内存管理层有时会需要调用进程管理层，进程管理层也可能调用内存管理层
- 2、仅仅可调用边界相邻底层，不能跨层，效率低，系统执行时间长
2、模块化结构
概念：内核划分为多个模块，各模块之间相互协作
【内核 = 主模块 + 可加载内核模块】
主模块：只关心核心功能，例如进程调度、内存管理
可加载内核模块：可动态加载新模块到内核，比如驱动模块，但有没有它都不影响内核，也无需重新整个编译，只是起到锦上添花的效果
优点：
- 1、模块之间逻辑清晰，结构清晰，易于维护，确定模块接口之后可以多模块同时开发（像软件开发一样）
- 2、可动态加载新的模块进内核（比如安装新的驱动、安装新的文件系统...），增加内核自适应
- 3、各个模块之间之间互相调用就行，不需要额外建立通信，执行效率高
缺点：
- 1、模块之间接口定义未必合理
- 2、模块之间依赖性大，更难以维护、调试
3、外核结构
概念：
内核负责进程调度、进程通信的功能
外核负责直接为用户进程分配硬件资源，并由外核维护资源使用的安全
优点：
- 1、可以更直接地为用户分配 “不虚拟、不抽象” 的硬件资源，用户资源更灵活的使用硬件资源
- 2、减少了虚拟硬件的 “映射层” ，提升效率
缺点：
- 1、降低了系统的一致性
- 2、是系统更加复杂，更不便于维护
4、大内核/单核/宏内核 结构
概念：所有系统功能都放内核里，各个模块可以直接互相调用（大内核也借鉴了“模块化”的思想）
优点：
- 性能高（CPU转变状态会消耗时间成本，少变几次性能就高了），各个模块之间互相直接调
缺点：
- 1、内核代码又多又臭，不便于维护
- 2、有一个功能模块出错，会导致整个内核、整个系统瘫痪
5、微内核结构
概念：只把硬件相关的核心功能（中断、时钟管理、原语...）放在内核，【进程管理、存储器管理、设备管理】这些对系统资源进行管理功能放到非内核部分
优点
- 1、内核代码简洁，便于维护
- 2、【进程管理、存储器管理、设备管理】这些对系统资源进行管理功能出错不会导致整个系统瘫痪
缺点
- 1、性能低（CPU转变状态会消耗时间成本，多变几次性能就低了）
- 2、用户态下的各个功能不能直接互相调，需要内核建立 “消息通信”，执行效率低
原文地址：https://blog.csdn.net/m0_73991249/article/details/144299888
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