操作系统结构

分层和模块化

操作系统的设计和结构在历史上经历了多种不同的方法和技巧，为了增加可维护性、灵活性和可扩展性。分层和模块化是操作系统设计中两种主要的技术方法。

• 分层结构：
  • 概念：在分层的操作系统中，系统被划分为多个层次或“层”，每层都为其上的层提供服务，并依赖于其下的层。
  • 优点：
    • 每层只需与其直接的上下层进行交互，简化了设计和调试。
    • 提高了灵活性，因为改变某一层的实现不会影响到其他层。
    • 有助于保护和安全性，因为较低的层（如硬件访问层）被封装起来，上层代码不能直接访问。
• 模块化结构：
  • 概念：模块化操作系统基于模块的概念，每个模块都有一个特定的功能，各个模块之间的交互通过定义良好的接口进行。模块化与面向对象编程中的封装和抽象概念类似。
  • 优点：
    • 易于维护和更新。如果某个模块需要更改或修复，可以独立于其他模块进行。
    • 提高了可扩展性。新的功能或模块可以相对容易地添加到系统中。
    • 增加了系统的可靠性和稳定性，因为每个模块的功能都被限定在明确的边界内。

内核架构

微内核

微内核（microkernel）是一种最小化的内核设计，只保留最核心的功能（如线程管理、虚拟内存、进程间通信等）在内核态运行，其他功能（如文件系统、设备驱动、网络协议栈等）以用户态服务的形式运行。

• 特点：
  • 只有最基本的服务（如基本的进程和线程管理、地址空间和 IPC）运行在内核态。
  • 其他服务，如设备驱动、文件系统等，作为用户空间的独立进程运行。
  • 内核和服务间通过消息传递进行通信。
• 优点：
  • 更高的系统稳定性。用户空间的服务（如驱动程序）如果崩溃，不会影响整个系统。
  • 更加灵活，允许在运行时更改或添加服务。
  • 更容易扩展和维护。
• 缺点：
  • 由于需要频繁的上下文切换和消息传递，通常性能会稍逊于宏内核。
• 示例：IOS 是基于微内核的系统。

宏内核

宏内核（monolithic kernel）将所有操作系统功能集成在一个大的内核程序中，运行在内核态。

• 特点：
  • 在单一的地址空间中运行大部分系统服务，如设备驱动、文件系统、网络协议等。
  • 所有的内核服务都运行在内核态。
• 优点：
  • 由于所有的服务都在同一个地址空间中运行，因此服务间的通信较快。
  • 传统上，宏内核系统比微内核系统性能更高。
• 缺点：
  • 如果内核中的一个部分失败，整个系统都可能崩溃。
  • 随着功能的增加，内核可能会变得臃肿，导致维护困难。
• 示例：传统的 UNIX 系统、Linux 都是基于宏内核的。

虚拟机

虚拟机（Virtual Machine, VM）是一种通过软件模拟真实计算机功能的虚拟化技术，能够在一台物理主机上创建多个独立的虚拟计算机环境。每个虚拟机都具备与真实硬件相似的运行环境，可以运行独立的操作系统和应用程序，仿佛它们运行在专属的物理设备上。这种技术广泛应用于服务器整合、测试开发、跨平台应用等场景。

虚拟机监视器

Hypervisor，也称为虚拟机监视器（Virtual Machine Monitor, VMM），是虚拟化技术的核心组件，运行在物理主机和虚拟机之间的中间软件层。它负责协调和管理多个虚拟机，使它们能够共享底层物理硬件资源，同时保持彼此隔离。Hypervisor 的主要职责包括：

1. 创建与管理虚拟机：为每个虚拟机分配独立的虚拟化硬件资源（如 CPU、内存、存储和网络）。
2. 硬件资源抽象：通过虚拟化技术，Hypervisor 将物理硬件资源抽象化，使每个虚拟机认为自己独占硬件资源，从而运行独立的操作系统。
3. 隔离与安全：确保虚拟机之间的运行互不干扰，增强系统安全性。

Hypervisor 的特权级

Hypervisor 通常运行在比操作系统更高的特权级（如硬件虚拟化支持的 VMX root mode 或 Ring -1），以便有效管理虚拟机及其资源。相比之下，虚拟机中的操作系统通常运行在较低的特权级（如 Ring 0）。这种特权级差异确保 Hypervisor 能够完全控制硬件资源并协调多个虚拟机的运行，而不会与虚拟机中的操作系统发生冲突。