王道学习

1.1 操作系统的基本概念

1.1.1 操作系统的概念

1.1.2 操作系统的特征

操作系统是一种系统软件，但与其他系统软件和应用软件有很大的不同，它有自己的特殊性即基本特征。操作系统的基本特征包括并发、共享、虚拟和异步。这些概念对理解和掌握操作系统的核心至关重要，将一直贯穿于各个章节中。

1、并发（Concurrence）
并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在多个运行的程序，因此它具有处理和调度多个程序同时执行的能力。在操作系统中，引入进程的目的是使程序能并发执行。
注意同一时间间隔（并发）和同一时刻（并行）的区别。在多道程序环境下，一段时间内，宏观上有多道程序在同时执行，而在每个时刻，单处理机环境下实际仅能有一道程序执行，因此微观上这些程序仍是分时交替执行的。操作系统的并发性是通过分时得以实现的。
注意，并行性是指系统具有同时进行运算或操作的特性，在同一时刻能完成两种或两种以上的工作。并行性需要有相关硬件的支持，如多流水线或多处理机硬件环境。
我们以现实生活中的直观例子来认识并发和并行的区别。例如，如果你在9:00–9:10仅吃面包，在9:10—9:20仅写字，在9:20—9:30仅吃面包，在9:30—10:00仅写字，那么在9:00—10:00吃面包和写字这两种行为就是并发执行的;再如，如果你在9:00—10:00右手写字，左手同时拿着面包吃，那么这两个动作就是并行执行的。

2、共享（Sharing）
资源共享即共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。共享可分为以下两种资源共享方式。
（1）互斥共享方式
系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然可供多个进程使用，但为使得所打印或记录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程访问该资源。
为此，当进程A访问某个资源时，必须先提出请求，若此时该资源空闲，则系统便将之分配给进程A使用，此后有其他进程也要访问该资源时(只要A未用完）就必须等待。仅当进程A访问完并释放该资源后，才允许另一个进程对该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为互斥式共享，而把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。计算机系统中的大多数物理设备及某些软件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们都要求被互斥地共享。
（2）同时访问方式
系统中还有另一类资源，这类资源允许在一段时间内由多个进程“同时”访问。这里所说的“同时”通常是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问即“分时共享”的。可供多个进程“同时”访问的典型资源是磁盘设备，一些用重入码编写的文件也可被“同时”共享，即允许若干个用户同时访问该文件。
注意，互斥共享要求一种资源在一段时间内（哪怕是一段很小的时间)只能满足一个请求，否则就会出现严重的问题，(你能想象打印机第一行打印A文档的内容、第二行打印B文档的内容的效果吗?）而同时访问共享通常要求一个请求分几个时间片段间隔地完成，其效果与连续完成的效果相同。

并发和共享是操作系统两个最基本的特征，两者之间互为存在的条件:①资源共享是以程序的并发为条件的，若系统不允许程序并发执行，则自然不存在资源共享问题;②若系统不能对资源共享实施有效的管理，则必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。

同时共享方式：微观上也有可能是同时共享，例如：扬声器同时播放两种声音，一个音乐，一个电视声音，微观上也就可能是同时共享（并行）

3、虚拟（Virtual）

4、异步（Asynchronism）
多道程序环境允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，它以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。
异步性使得操作系统运行在一种随机的环境下，可能导致进程产生与时间有关的错误（就像对全局变量的访问顺序不当会导致程序出错一样)。然而，只要运行环境相同，操作系统就须保证多次运行进程后都能获得相同的结果。

1.1.3 操作系统的目的和功能

为了给多道程序提供良好的运行环境，操作系统应具有以下几方面的功能:处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理。为了方便用户使用操作系统，还必须向用户提供接口。同时，操作系统可用来扩充机器，以提供更方便的服务、更高的资源利用率。

我们用一个直观的例子来理解这种情况。例如，用户是雇主，操作系统是工人（用来操作机器)，计算机是机器（由处理机、存储器、设备、文件几个部件构成)，工人有熟练的技能，能够控制和协调各个部件的工作，这就是操作系统对资源的管理;同时，工人必须接收雇主的命令，这就是“接口”;有了工人，机器就能发挥更大的作用，因此工人就成了“扩充机器”。

1、操作系统作为计算机系统资源的管理者
（1）处理机管理
在多道程序环境下，处理机的分配和运行都以进程（或线程）为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。并发是指在计算机内同时运行多个进程，因此进程何时创建、何时撤销、如何管理、如何避免冲突、合理共享就是进程管理的最主要的任务。进程管理的主要功能包括进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。
（2）存储器管理
存储器管理是为了给多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用及提高内存的利用率，主要包括内存分配与回收、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等功能。
（3）文件管理
计算机中的信息都是以文件的形式存在的，操作系统中负责文件管理的部分称为文件系统。文件管理包括文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等。
（4）设备管理
设备管理的主要任务是完成用户的I/O请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率，主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等功能。
这些工作都由“工人”负责，“雇主”无须关注。

2.操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口
为了让用户方便、快捷、可靠地操纵计算机硬件并运行自己的程序，操作系统还提供了用户接口。操作系统提供的接口主要分为两类:一类是命令接口，用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行;另一类是程序接口，编程人员可以使用它们来请求操作系统服务。


3.操作系统用作扩充机器
没有任何软件支持的计算机称为裸机，它仅构成计算机系统的物质基础，而实际呈现在用户面前的计算机系统是经过若干层软件改造的计算机。裸机在最里层，其外面是操作系统。操作系统所提供的资源管理功能和方便用户的各种服务功能，将裸机改造成功功能更强、使用更方便的机器；因此，我们通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。

“工人”操作机器，机器就有更大的作用，于是“工人”便成了“扩充机器”。
注意，本课程锁关注的内容是操作系统如何控制和协调处理机、存储器、设备和文件，而不关注接口和扩充机器，后两者读者只需要有个印象，能理解即可。

1.1.4 本节试题精选

1.2 操作系统的发展与分类

学习提示：要重点关注和理解各类操作系统主要想解决的是什么问题，各自的优缺点。

1.2.1 手工操作阶段（此阶段无操作系统）

用户在计算机上算题的所有工作都要人工干预，如程序的装入、运行、结果的输出等。随着计算机硬件的发展，人机矛盾〈速度和资源利用）越来越大，必须寻求新的解决办法。

手工操作阶段有两个突出的缺点:①用户独占全机，不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象，但资源利用率低。② CPU等待手工操作，CPU的利用不充分。

唯一的解决办法就是用高速的机器代替相对较慢的手工操作来对作业进行控制。

1.2.2 批处理阶段（操作系统开始出现）

为了解决人机矛盾及CPU和IO设备之间速度不匹配的矛盾，出现了批处理系统。它按发展历程又分为单道批处理系统、多道批处理系统（多道程序设计技术出现以后)。

1、单道批处理系统
系统对作业的处理是成批进行的，但内存中始终保持一道作业。单道批处理系统是在解决人机矛盾及CPU和IO设备速率不匹配的矛盾中形成的。单道批处理系统的主要特征如下：
1）自动性。在顺利的情况下，磁带上的一批作业能自动地逐个运行，而无须人工干预。
2）顺序性。磁带上的各道作业顺序地进入内存，各道作业的完成顺序与它们进入内存的顺序在正常情况下应完全相同，亦即先调入内存的作业先完成。
3）单道性。内存中仅有一道程序运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入内存运行，当该程序完成或发生异常情况时，才换入其后继程序进入内存运行。

此时面临的问题是:每次主机内存中仅存放一道作业，每当它在运行期间（注意这里是“运行时”而不是“完成后”〉发出输入/输出请求后，高速的CPU便处于等待低速的IO完成状态。为了进一步提高资源的利用率和系统的吞吐量，引入了多道程序技术。

2、多道批处理系统
多道程序设计技术允许多个程序同时进入内存并允许它们在CPU 中交替地运行，这些程序共享系统中的各种硬/软件资源。当一道程序因I/O请求而暂停运行时，CPU便立即转去运行另一道程序。它不采用某些机制来提高某一技术方面的瓶颈问题，而让系统的各个组成部分都尽量去“忙”，因此切换任务所花费的时间很少，可实现系统各部件之间的并行工作，使其整体在单位时间内的效率翻倍。

当然，多道批处理系统的设计和实现要比单道系统复杂很多，因为要充分利用各种资源，就要涉及各种资源的调度问题。

多道程序设计的特点是多道、宏观上并行、微观上串行。
1）多道。计算机内存中同时存放多道相互独立的程序。
2）宏观上并行。同时进入系统的多道程序都处于运行过程中，即它们先后开始各自的运行,但都未运行完毕。
3）微观上串行。内存中的多道程序轮流占有CPU，交替执行。

多道程序设计技术的实现需要解决下列问题:
1）如何分配处理器。
2）多道程序的内存分配问题。
3）I/O设备如何分配。
4）如何组织和存放大量的程序和数据，以方便用户使用并保证其安全性与一致性。

在批处理系统中采用多道程序设计技术就形成了多道批处理操作系统。该系统把用户提交的作业成批地送入计算机内存，然后由作业调度程序自动地选择作业运行。

优点:资源利用率高，多道程序共享计算机资源，从而使各种资源得到充分利用;系统吞吐量大，CPU和其他资源保持“忙碌”状态。缺点:用户响应的时间较长;不提供人机交互能力,用户既不能了解自己的程序的运行情况，又不能控制计算机。

1.2.3 分时操作系统

所谓分时技术，是指把处理器的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理器分配给各联机作业使用。若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂时停止运行,把处理器让给其他作业使用，等待下一轮再继续运行。由于计算机速度很快，作业运行轮转得也很快，因此给每个用户的感觉就像是自己独占一台计算机。

分时操作系统是指多个用户通过终端同时共享一台主机，这些终端连接在主机上，用户可以同时与主机进行交互操作而互不干扰。因此，实现分时系统最关键的问题是如何使用户能与自己的作业进行交互，即当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回用户。分时系统也是支持多道程序设计的系统，但它不同于多道批处理系统。多道批处理是实现作业自动控制而无须人工干预的系统，而分时系统是实现人机交互的系统，这使得分时系统具有与批处理系统不同的特征。分时系统的主要特征如下:
1）同时性。同时性也称多路性，指允许多个终端用户同时使用一台计算机，即一台计算机与若干台终端相连接，终端上的这些用户可以同时或基本同时使用计算机。
2）交互性。用户能够方便地与系统进行人机对话，即用户通过终端采用人机对话的方式直接控制程序运行，与同程序进行交互。
3）独立性。系统中多个用户可以彼此独立地进行操作，互不干扰，单个用户感觉不到别人也在使用这台计算机，好像只有自己单独使用这台计算机一样。
4）及时性。用户请求能在很短时间内获得响应。分时系统采用时间片轮转方式使一台计算机同时为多个终端服务，使用户能够对系统的及时响应感到满意。

虽然分时操作系统较好地解决了人机交互问题，但在一些应用场合，需要系统能对外部的信息在规定的时间（比时间片的时间还短）内做出处理（比如飞机订票系统或导弹制导系统)。因此，实时系统应运而生。

1.2.4 实时操作系统

为了能在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需要时间片排队，诞生了实时操作系统。这里的时间限制可以分为两种情况:若某个动作必须绝对地在规定的时刻(或规定的时间范围）发生，则称为硬实时系统，如飞行器的飞行自动控制系统，这类系统必须提供绝对保证，让某个特定的动作在规定的时间内完成。若能够接受偶尔违反时间规定且不会引起任何永久性的损害，则称为软实时系统，如飞机订票系统、银行管理系统。

在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并在严格的时限内处理完接收的事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。

1.2.5 网络操作系统和分布式计算机系统

网络操作系统把计算机网络中的各台计算机有机地结合起来，提供一种统一、经济而有效的使用各台计算机的方法，实现各台计算机之间数据的互相传送。网络操作系统最主要的特点是网络中各种资源的共享及各台计算机之间的通信。

分布式计算机系统是由多台计算机组成并满足下列条件的系统:系统中任意两台计算机通过通信方式交换信息;系统中的每台计算机都具有同等的地位，即没有主机也没有从机;每台计算机上的资源为所有用户共享;系统中的任意台计算机都可以构成一个子系统，并且还能重构;任何工作都可以分布在几台计算机上，由它们并行工作、协同完成。用于管理分布式计算机系统的操作系统称为分布式计算机系统。该系统的主要特点是:分布性和并行性。分布式操作系统与网络操作系统的本质不同是，分布式操作系统中的若干计算机相互协同完成同一任务。

1.2.6 个人计算机操作系统

1.2.7 本节试题精选

1.3 操作系统的运行环境

1.3.1 操作系统的运行机制

计算机系统中，通常CPU执行两种不同性质的程序：一种是操作系统内核程序；另一种是用户自编程序（即系统外层的应用程序，或简称“应用程序”）。对操作系统而言，这两种程序的作用不同，前者是后者的管理者，因此“管理程序”（即内核程序）要执行一些特权指令，而“被管理程序”（即用户自编程序）出于安全考虑不能执行这些指令。所谓特权指令，是指计算机中不允许用户直接使用的指令，如I/O指令、置中断指令，存取用于内存保护的寄存器、送程序状态字到程序状态寄存器等的指令。在具体实现上，将CPU的状态分为用户态（目态）和核心态（又称管态、内核态）。可以理解为CPU内部有一个小开关，当小开关为1时，CPU出于核心态，此时CPU可以执行特权指令；当小开关为0时，CPU处于用户态，此时CPU只能执行非特权指令。用户自编程序运行在用户态，操作系统内核程序运行在核心态。

在软件工程思想和结构程序设计方法影响下诞生的现代操作系统,几乎都是层次式的结构。操作系统的各项功能分别被设置在不同的层次上。一些与硬件关联较紧密的模块，如时钟管理、中断处理、设备驱动等处于最低层。其次是运行频率较高的程序，如进程管理、存储器管理和设备管理等。这两部分内容构成了操作系统的内核。这部分内容的指令操作工作在核心态。

内核是计算机上配置的底层软件，是计算机功能的延伸。不同系统对内核的定义稍有区别大多数操作系统内核包括4方面的内容。

1、时钟管理
在计算机的各种部件中，时钟是最关键的设备。时钟的第一功能是计时，操作系统需要通过时钟管理，向用户提供标准的系统时间。另外，通过时钟中断的管理，可以实现进程的切换。例如，在分时操作系统中采用时间片轮转调度，在实时系统中按截止时间控制运行，在批处理系统中通过时钟管理来衡量一个作业的运行程度等。因此，系统管理的方方面面无不依赖于时钟。

2、中断机制
引入中断技术的初衷是提高多道程序运行环境中CPU的利用率，而且主要是针对外部设备的。后来逐步得到发展，形成了多种类型，成为操作系统各项操作的基础。例如，键盘或鼠标信息的输入、进程的管理和调度、系统功能的调用、设备驱动、文件访问等，无不依赖于中断机制可以说，现代操作系统是靠中断驱动的软件。

中断机制中，只有一小部分功能属于内核，它们负责保护和恢复中断现场的信息，转移控制权到相关的处理程序。这样可以减少中断的处理时间，提高系统的并行处理能力。

3、原语

4、系统控制的数据结构及处理

1.3.2 中断和异常的概念

在操作系统中引入核心态和用户态这两种工作状态后，就需要考虑这两种状态之间如何切换。操作系统内核工作在核心态，而用户程序工作在用户态。系统不允许用户程序实现核心态的功能，而它们又必须使用这些功能。因此，需要在核心态建立一些“门”，以便实现从用户态进入核心态。在实际操作系统中，CPU运行上层程序时唯一能进入这些“门”的途径就是通过中断或异常。发生中断或异常时，运行用户态的CPU会立即进入核心态，这是通过硬件实现的（例如，用一个特殊寄存器的一位来表示CPU所处的工作状态，0表示核心态，1表示用户态。若要进入核心态，则只需要将该位置设置为0即可）。中断是操作系统中非常重要的一个概念，对一个运行在计算机上的实用操作系统而言，缺少了中断机制，将是不可想象的。原因是，操作系统的发展过程大体上就是一个想方设法不断提高资源利用率的过程，而提高资源利用率就需要再程序并未使用某种资源时，把它对那种资源的占有权释放，而这一行为就需要通过中断实现。


其中，1到3步是在CPU进入中断周期后，由硬件自动（中断隐指令）完成的；4到9步由中断服务程序完成。恢复现场是指在中断返回前，必须将寄存器的内容恢复到中断处理前的状态，这部分工作由中断服务程序完成。中断返回由中断服务程序的最后一条中断返回指令完成。

1.3.3 系统调用

所谓系统调用，是指用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，系统调用可视为特殊的公用子程序。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（如存储分配、进行I/O传输及管理文件等），都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。通常，一个操作系统提供的系统调用命令有几十条乃至上百条之多。这些系统调用按功能大致可分为如下几类。

显然，系统调用相关功能涉及系统资源管理、进程管理之类的操作，对整个系统的影响非常大，因此必定需要使用某些特权指令才能完成，所以系统调用的处理需要有操作系统内核程序负责完成，要运行在核心态。用户程序可以执行陷入指令（又称为访管指令或trap指令）来发起系统调用，请求操作系统提供服务。可以这么理解，用户程序执行“陷入指令”，相当于把CPU的使用权主动交给操作系统内核程序（CPU状态会从用户态进入核心态），之后操作系统内核程序再对系统调用请求做出相应处理。处理完成后，操作系统内核程序又会把CPU的使用权还给用户程序（即CPU状态会从核心态回到用户态）。这么设计的目的是：用户程序不能直接执行对系统影响非常大的操作，必须通过系统调用的方式请求操作系统代为执行，以便保证系统的稳定性和安全性，防止用户程序随意更改或访问重要的系统资源，影响其他进程的运行。

1.3.4 本节试题精选

29、[2020统考真题]下列与中断相关的操作中，由操作系统完成的是（）。
（1）保存被中断程序的中断点
（2）提供中断服务
（3）初始化中断向量表
（4）保存中断屏蔽字
A、仅（1）（2）
B、仅（1）（2）（4）
C、仅（3）（4）
D、仅（2）（3）（4）

29、D
当CPU检测到中断信息后，由硬件自动保存被中断程序的断点（即程序计数器PC），I错误。之后，硬件找到该中断信号对应的中断向量，中断向量指明中断服务程序入口地址（各中断向量统一存放在中断向量表中，该表由操作系统初始化，（3）正确）。接下来开始执行中断服务程序，保存PSW、保存中断屏蔽字、保存各通用寄存器的值，并提供与中断信号对应的中断服务，中断服务程序属于操作系统内核。（2）和（4）正确。

1.4 操作系统的体系结构

1.4.1 介绍

随着操作系统功能的不断增加和代码规模的不断扩大，提供合理的结构，对于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。

1、分层法
分层法是将操作系统分为若干层，最底层（层0）为硬件，最高层（层N）为用户接口，每层只能调用紧邻它的底层的功能和服务（单向依赖）。这种分层结构如图1.4所示。

分层法的优点：（1）便于系统的调试和验证，简化了系统的设计和实现。第1层可先调试而无需考虑系统的其他部分，因为它只使用了基本硬件。第1层调试完且验证正确之后，就可以调试。第2层，如此向上，这是因为它的低层都调试好了。（2）易扩充和易维护。在系统中增加、修改或替换一层中的模块或整层时，只要不改变相应层间的接口，就不会影响其他层。

分层法的问题：（1）合理定义各层比较困难。因为依赖关系固定后，往往就显得不够灵活。（2）效率较差。操作系统每执行一个功能，通常要自上而下地穿越多层，各层之间都有相应的层间通信机制，这无疑增加了额外的开销，导致系统效率的降低。

2、模块化
模块化是将操作系统按功能划分为若干具有一定独立性的模块。每个模块具有某方面的管理功能，并规定好各模块间的接口，使各模块之间能够通过接口进行通信。还可以进一步将各模块细分为若干具有一定功能的子模块，同样也规定好各子模块之间的接口。这种设计方法被称为模块-接口法，图1.5所示为由模块、子模块等组成的模块化操作系统结构。

在划分模块时，如果将模块划分得太小，虽然能降低模块本身的复杂性，但会使得模块之间的联系过多，造成系统比较混乱；如果模块划分得过大，又会增加模块内部的复杂性，显然应在两者间进行权衡。此外，在划分模块时，要充分考虑模块的独立性问题，因为模块独立性越高，各模块间的交互就越少，系统的结构也就越清晰。衡量模块的独立性主要有两个标准：

• 内聚性，模块内部各部分间联系的紧密程度。内聚性越高，模块独立性越好。
• 耦合度，模块间相互联系和相互影响的程度。耦合度越低，模块独立性越好。

模块化的优点：（1）提高了操作系统设计的正确性、可理解性和可维护性；（2）增加了操作系统的可适应性；（3）加速了操作系统的开发过程。
模块化的缺点：（1）模块间的接口规定很难满足对接口的实际需求。（2）各模块设计者齐头并进，每个决定无法建立在上一个已验证的正确决定基础上，因此无法找打一个可靠的决定顺序。

3、宏内核
从操作系统的内核架构来划分，可分为宏内核和微内核。

宏内核，也称单内核或大内核，是指将系统的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在核心态，从而为用户程序提供高性能的系统服务。因为各管理模块之间共享信息，能有效利用相互之间的有效特性，所以具有无可比拟的性能优势。

随着体系结构和应用需求的不断发展，需要操作系统提供的服务越来越复杂，操作系统的设计规模急剧增长，操作系统也面临着“软件危机”困境。就像一个人，越胖活动起来就越困难。 所以就出现了微内核技术，就是将一些非核心的功能移到用户空间，这种设计带来的好处是方便扩展系统，所有新服务都可以在用户空间增加，内核基本不用去做改动。

从操作系统的发展来看，宏内核获得了绝对的胜利，目前主流的操作系统，如Windows,Android、iOS、macOS、Linux等，都是基于宏内核的构架。但也应注意到，微内核和宏内核一直是同步发展的，目前主流的操作系统早已不是当年纯粹的宏内核构架了，而是广泛吸取微内核构架的优点而后揉合而成的混合内核。当今宏内核构架遇到了越来越多的困难和挑战，而微内核的优势似乎越来越明显，尤其是谷歌的Fuchsia和华为的鸿蒙OS,都瞄准了微内核构架。

4、微内核
（1）微内核的基本概念
微内核架构，是指将内核中最基本的功能保留在内核，而将那些不需要在核心态执行的功能移动到用户态执行，从而降低内核的设计复杂性。那些移出内核的操作系统代码根据分层的原则被划分成若干服务程序，它们的执行相互独立，交互则都借助于微内核进行通信。

微内核结构将操作系统分为两大部分：微内核和多个服务器。微内核是指精心设计的、能实现操作系统最基本核心功能的小型内核，通常包括：（1）与硬件处理紧密相关的部分；（2）一些较基本的功能；（3）客户和服务器之间的通信。这些部分只是为构建通用操作系统提供一个重要基础，这样就可以确保将内核做的很小。操作系统中的绝大部分功能都放在微内核外的一组服务器（进程）中实现，如用于提供对进程（线程）进行管理的进程（线程）服务器、提供虚拟存储器管理功能的虚拟存储器服务器等，它们都是作为进程来实现的，运行在用户态，客户与服务器质检室借助微内核提供的消息传递机制来实现交互的。图1.6展示了单机环境下的客户/服务器模式。

在微内核结构中，为了实现高可靠性，只有微内核运行在内核态，其余模块都运行在用户态， 一个模块中的错误只会使这个模块崩溃，而不会使整个系统崩溃。例如，文件服务代码运行时出了问题，宏内核因为文件服务是运行在内核态的，系统直接就崩溃了。而微内核的文件服务是运行在用户态的，只要把文件服务功能强行停止，然后重启，就可以继续使用，系统不会崩溃。

（2）微内核的基本功能
微内核结构通常利用“机制与策略分离”的原理来构造OS结构，将机制部分以及与硬件紧密相关的部分放入微内核。微内核通常具有如下功能：
①进程（线程）管理。进程（线程）之间的通信功能是微内核OS最基本的功能，此外还有进程的切换、进程的调度，以及多处理机之间的同步等功能，都应放入微内核中。举个例子，为实现进程调度功能，需要在进程管理中设置一个或多个进程优先级队列，这部分属于调度功能的机制部分，应将它放入微内核中。而对用户进程如何分类，以及优先级的确认方式，则属于策略问题，可将它们放入微内核外的进程管理服务器中。
②低级存储器管理。在微内核中，只配置最基本的低级存储器管理机制，如用于实现将逻辑地址变换为物理地址等的页表机制和地址变换机制，这一部分是依赖于硬件的，因此放入微内核。而实现虚拟存储器管理的策略，则包含应采取何种页面置换算法，采用何种内存分配与回收的策略，应将这部分放在微内核外的存储器管理服务器中。
③中断和陷入处理 。微内核OS将与硬件紧密相关的一小部分放入微内核，此时微内核的主要功能是捕获所发生的中断和陷入事件，并进行中断响应处理，在识别中断或陷入的事件后，再发送给相关的服务器来处理，故中断和陷入处理也应放入微内核。

微内核操作系统将进程管理、存储器管理以及I/O管理这些功能一分为二，属于机制的很小一部分放入微内核，而绝大部分放入微内核外的各种服务器实现，大多数服务器都要比微内核大。 因此，在采用客户/服务器模式时，能把微内核做得很小。

（3）微内核的特点
微内核结构的主要优点如下所示。
①扩展性和灵活性。许多功能从内核中分离出来，当要修改某些功能或增加新功能时，只需在相应的服务器中修改或新增功能，或再增加一个专用的服务器，而无须改动内核代码。
②可靠性和安全性。前面己举例说明。
③可移植性。与CPU和I/O硬件有关的代码均放在内核中，而其他各种服务器均与硬件平台无关，因而将操作系统移植到另一个平台上所需做的修改是比较小的。
④分布式计算。客户和服务器之间、服务器和服务器之间的通信采用消息传递机制，这就使得微内核系统能很好地支持分布式系统和网络系统。
微内核结构的主要问题是性能问题，因为需要频繁地在核心态和用户态之间进行切换，操作系统的执行开销偏大。为了改善运行效率，可以将那些频繁使用的系统服务移回内核，从而保证系统性能，但这又会使微内核的容量明显地增大。

虽然宏内核在桌面操作系统中取得了绝对的胜利，但是微内核在实时、工业、航空及军事应用中特别流行，这些领域都是关键任务，需要有高度的可靠性。

5、外核
不同于虚拟机克隆真实机器，另一种策略是对机器进行分区，给每个用户整个资源的一个子集。这样，某个虚拟机可能得到磁盘的0至1023盘块，而另一台虚拟机会得到磁盘的1024至2047盘块，等等。在底层中，一种称为外核（exokemel）的程序在内核态中运行。它的任务是为虚拟机分配资源，并检查使用这些资源的企图，以确保没有机器会使用他人的资源。每个用户层的虚拟机可以运行自己的操作系统，但限制只能使用已经申请并且获得分配的那部分资源。

外核机制的优点是减少了映射层。在其他的设计中，每个虚拟机都认为它有自己的磁盘，其盘块号从0到最大编号，这样虚拟机监控程序就必须维护一张表格以重映像磁盘地址（或其他资源），有了外核，这个重映射处理就不需要了。外核只需要记录已经分配给各个虚拟机的有关资源即可。这种方法还有一个优点，它将多道程序（在外核内）与用户操作系统代码（在用户空间内）加以分离，而且相应的负载并不重，因为外核所做的只是保持多个虚拟机彼此不发生冲突。

1.4.2 本节试题精选

1.5 操作系统引导

操作系统（如Windows、Linux等）是一种程序，程序以数据的形式存放在硬盘中，而硬盘通常分为多个区，一台计算机中又有多个或多种外部存储设。操作系统引导是指计算机利用CPU运行特定程序，通过程序识别硬盘，识别硬盘分区，识别硬盘分区上的操作系统，最后通过程序启动操作系统，一环扣一环地完成上述过程。

常见操作系统的引导过程如下：
①激活CPU。激活的CPU读取ROM中的boot程序，将指令寄存器置为BIOS（基本输入/输出系统）的第一条指令，即开始执行BIOS的指令。
②硬件自检。启动BIOS程序后，先进行硬件自检，检查硬件是否出现故障。如有故障，主板会发出不同含义的蜂鸣，启动中止：如无故障，屏幕会显示CPU、内存、硬盘等信息。
③加载带有操作系统的硬盘。硬件自检后，BIOS开始读取Boot Sequence （通过CMOS里保存的启动顺序，或者通过与用户交互的方式），把控制权交给启动顺序排在第一位的存储设备， 然后CPU将该存储设备引导扇区的内容加载到内存中。
④加载主引导记录MBR。硬盘以特定的标识符区分引导硬盘和非引导硬盘。如果发现一个存储设备不是可引导盘，就检查下一个存储设备。如无其他启动设备，就会死机。主引导记录MBR的作用是告诉CPU去硬盘的哪个主分区去找操作系统。
⑤扫描硬盘分区表，并加载硬盘活动分区。MBR包含硬盘分区表，硬盘分区表以特定的标识符区分活动分区和非活动分区。主引导记录扫描硬盘分区表，进而识别含有操作系统的硬盘分区（活动分区）。找到硬盘活动分区后，开始加载硬盘活动分区，将控制权交给活动分区。
⑥加载分区引导记录PBR。读取活动分区的第一个扇区，这个扇区称为分区引导记录（PBR）,其作用是寻找并激活分区根目录下用于引导操作系统的程序（启动管理器）。
⑦加载启动管理器。分区引导记录搜索活动分区中的启动管理器，加载启动管理器。
⑧加载操作系统。

1.6 虚拟机

1.6.1 虚拟机的基本概念

虚拟机是一台逻辑计算机，是指利用特殊的虚拟化技术，通过隐藏特定计算平台的实际物理特性，为用户提供抽象的、统一的、模拟的计算环境。有两类虚拟化方法。

1、第一类虚拟机管理程序
从技术上讲，第一类虚拟机管理程序就像一个操作系统，因为它是唯一一个运行在最高特权的程序。它在裸机上运行并且具备多道程序功能。虚拟机管理程序向上层提供若干台虚拟机，这些虚拟机是逻辑硬件的精确复制品。由于每台虚拟机都与逻辑相同，所以在不同的虚拟机上可以运行不同的操作系统。图1.7(a)中显示了第一类虚拟机管理程序。

虚拟机作为用户态的一个进程运行，不允许执行敏感指令。然而，虚拟机上的操作系统认为自己运行在内核态（实际上不是），称为虚拟内核态。虚拟机中的用户进程认为自己运行在用户态（实际上确实是）。当虚拟机操作系统执行了一个条CPU处于内核态才允许执行的指令时，会陷入虚拟机管理程序。在支持虚拟化的CPU上，虚拟机管理程序检查这条指令是由虚拟机中的操作系统执行的还是由用户程序执行的。如果是前者，虚拟机管理程序将安排这条指令功能的正确执行。否则，虚拟机管理程序将模拟真实硬件面对用户态执行敏感指令时的行为。

在过去不支持虚拟化的CPU上，真实硬件不会直接执行虚拟机中的敏感指令。这些敏感指令被转为对虚拟机管理程序的调用，由虚拟机管理程序模拟这些指令的功能。

2、第二类虚拟机管理程序
图1.7(b)中显示了第二类虚拟机管理程序。它是一个依赖于Windows、Linux等操作系统分配和调度资源的程序，很像一个普通的进程。第二类虚拟机管理程序仍然伪装成具有CPU和各种设备的完整计算机。VMware Workstation是首个X86平台上的第二类虚拟机管理程序。

运行在两类虚拟机管理程序上的操作系统都称为客户操作系统。对于第二类虚拟机管理程序，运行在底层硬件上的操作系统称为宿主操作系统。

首次启动时，第二类虚拟机管理程序像一台刚启动的计算机那样运转，期望找到的驱动器可以是虚拟设备。然后将操作系统安装到虚拟磁盘上（其实只是宿主操作系统中的一个文件）。客户操作系统安装完成后，就能启动并运行。

虚拟化在Web主机领域很流行。没有虚拟化，服务商只能提供共享托管（不能控制服务器的软件）和独占托管（成本较高）。当服务商提供租用虚拟机时，一台物理服务器就可以运行多个虚拟机，每个虚拟机看起来都是一台完整的服务器，客户可以在虚拟机上安装自己想用的操作系统和软件，但是只需支付较低的费用。这就是市面上常见的“运”主机。

有的教材将第一类虚拟化技术称为裸金属架构，将第二类虚拟化技术称为寄居架构。

1.6.2 本节试题精选

在计算机启动时，当BIOS被加载到内存中时，它会立即初始化自己的中断向量表。这个过程通常发生在计算机的启动自检（POST）过程中。在这个过程中，BIOS会检查计算机的硬件设备是否正常，然后为每一个硬件设备分配中断向量，并且为每一个中断向量设置相应的中断处理程序。
BIOS中断向量表中包含一系列的中断向量，每个中断向量都对应一个硬件中断，并且每个中断向量都包含了中断处理程序的入口地址。当硬件中断发生时，中断向量表中对应中断号的中断处理程序会被调用，从而完成对硬件中断的响应处理。
BIOS的中断向量表通常只包含基本的I/O和硬件服务，例如键盘中断、显示器中断等。当操作系统被加载和启动时，它会运行自己的中断服务程序，并使用自己的中断向量表。操作系统的中断服务程序包含了更多与硬件有关的服务程序的入口地址，例如文件系统服务、网络连接等服务。
总之，BIOS在计算机启动时初始化自己的中断向量表，并在整个计算机系统生命周期中维护和管理这个表格。

1.7 本章疑难点

1、并行性与并发性的区别和联系
并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生，并发性是指两个或多个事件在同一事件间间隔内发生。
在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序同时运行，但在单处理器系统中每个时刻仅能有一道程序执行，因此微观上这些程序只能分时地交替执行。若在计算机系统中有多个处理器，则这些可以并发执行的程序便被分配到多个处理器上，实现并行执行，即利用每个处理器来处理一个可并发执行的程序

2、特权指令与非特权指令

3、访管指令与访管中断

4、定义微内核结构OS的四个方面
1）足够小的内核。
2）基于客户/服务器模式。
3）应用“机制与策略分离”原理。机制是指实现某一功能的具体执行机构。策略则是在机制的基础上借助于某些参数和算法来实现该功能的优化，或达到不同的功能目标。在传统的OS中，将机制放在OS内核的较低层中，把策略放在内核的较高层中。而在微内核OS中，通常将机制放在OS的微内核中。正因如此，才可以将内核做得很小。
4）采用面向对象技术。基于面向对象技术中的“抽象”和“隐蔽”原则能控制系统的复杂性，进一步利用“对象”“封装”和“继承”等概念还能确保操作系统的正确性、可靠性、易扩展性等。正因如此，面向对象技术被广泛应用于现代操作系统的设计之中。