考研笔记

操作系统结构

1.3.1 说内核运行在内核态，但没说”哪些东西该放进内核”。这一节讲的正是这个设计决策。

五种结构可以放在同一根轴上看：内核里装多少东西。装得越多性能越高（不用来回切模式），装得越少可靠性越好（出问题的代码少）——五种结构就是这条轴上的五个位置。

机制

分层法

把内核分成若干层，每层只能调用紧邻的低一层。

优点是便于调试和验证、易于扩充和维护：验证第 层时，可以认为第 层已经是正确的，于是复杂的正确性问题被拆成了一串简单问题。

缺点有两条：仅可调用紧邻的低一层，效率低——一个请求要逐层传递下去，每层都有开销；难以合理定义各层的边界——很多功能之间是互相依赖的，硬要排成线性次序并不自然。

模块化

把内核划分为若干模块，各模块之间通过接口相互协作，不再要求严格的层次次序。内核由一个主模块和若干可加载的内核模块构成。

优点是模块间逻辑清晰、易于维护，并且支持动态加载新的内核模块——需要某个设备驱动时才装进来，不需要就卸掉。

缺点是模块间的接口定义未必合理实用，且模块之间相互依赖，难以调试和验证——这恰好是分层法优点的反面。

宏内核（大内核）

把操作系统的主要功能模块都作为一个紧密整体运行在内核态。

优点是性能高：各功能之间是普通的函数调用，不需要任何模式切换。

缺点是内核庞大、结构混乱、难以维护，且可靠性差——内核态的一个错误就可能拖垮整个系统，而内核里的代码越多，出错的机会越大。

微内核

只把最基本的功能保留在内核，把那些不需要在内核态执行的功能移到用户态执行。

内核中通常只保留：低级进程/线程管理、低级存储管理、中断和陷入处理、进程间通信。而文件系统、设备驱动、网络协议栈等都作为用户态的服务进程运行。

优点是内核小、可靠性高、可扩展性好、可移植性好——某个服务崩了只是一个用户态进程挂掉，可以重启，不会拖垮系统。

缺点是性能开销大，原因见下面的边界分析。

外核

内核负责为程序分配硬件资源，并保证资源使用的安全（不越权），而把资源的”抽象”工作交给上层。

普通操作系统给你的是”文件”和”虚拟内存”这些抽象；外核直接给用户程序分配”未经抽象的”硬件资源——比如直接给你几个物理磁盘块、几个物理页框，由应用程序自己决定怎么用。

优点是应用可以更灵活地使用硬件（数据库可以按自己的方式管理磁盘，不必迁就通用文件系统），并且减少了虚拟硬件资源的映射层，可以提升效率。

缺点是降低了系统的一致性，也使系统变得更复杂。

边界

微内核为什么性能差

这是本节唯一需要论证的地方，也是最常考的”为什么”。

在宏内核中，一次读文件是这样的：用户程序执行系统调用进入内核态 → 内核里的文件系统代码直接以函数调用的方式调设备驱动 → 返回用户态。全程只有两次模式切换。

在微内核中，文件系统是一个用户态的服务进程，于是同一次读文件变成：用户程序 → 陷入内核 → 内核把请求通过进程间通信转发给文件系统服务进程 → 切换到该进程 → 文件系统服务进程又要读磁盘，于是它再陷入内核、内核再转发给设备驱动服务进程……

每一次服务之间的协作，都要付出”模式切换 + 进程切换 + 消息传递”的代价，而在宏内核里这只是一次函数调用。

所以微内核的开销不在于”内核小”，而在于”被拆开的部分之间必须靠昂贵的方式通信”。

微内核不是”没有内核”

“微”指的是内核里保留的功能少，不是没有内核。

微内核仍然运行在内核态，仍然掌握着最基本的机制——进程管理、内存管理的最低层、中断处理、进程间通信。这四样是无论如何都搬不出去的：进程间通信本身就是搬出去的那些服务赖以协作的手段，它必须留在内核。

同理，宏内核也不是”没有模块”——宏内核完全可以是模块化实现的（Linux 就是），只是这些模块统统运行在内核态。

判据：区分宏内核与微内核，看的是”服务运行在哪个模式”，不是”代码有没有分模块”。

分层法与模块化的优缺点恰好互补

这一对值得放在一起记，因为它们的优缺点是镜像的：

分层法限制严格（只能调低一层），因此易于验证、但效率低且边界难定。

模块化限制宽松（模块间自由协作），因此灵活、易维护、可动态加载，但相互依赖导致难以调试验证。

一句话：分层法用”限制”换”可验证性”，模块化用”自由”换”灵活性”。

五种结构在同一根轴上的位置

把它们按”内核里装多少”排开，规律非常清楚：

宏内核装得最多 → 性能最高、可靠性最差。 模块化 / 分层法是宏内核内部的组织方式 → 仍然都在内核态。 微内核装得最少 → 可靠性最高、性能最差。 外核则换了一个维度——它不是”装多少”，而是”抽不抽象”：内核只做分配与保护，不做抽象。

做选择题时，看到”效率高/内核庞大”想宏内核；看到”可靠性、可扩展、可移植”想微内核；看到”只保护和复用硬件、把控制权交给上层”想外核。

对照速查

结构核心思想优点缺点
分层法每层只能调用紧邻的低一层便于调试和验证、易扩充维护效率低；层的边界难以合理定义
模块化主模块 + 可加载内核模块逻辑清晰易维护、支持动态加载接口未必合理；相互依赖，难调试验证
宏内核主要功能都在内核态性能高（函数调用）内核庞大、可靠性差
微内核只保留最基本功能在内核可靠、可扩展、可移植性能开销大（模式切换 + IPC）
外核内核只做分配与保护，不做抽象灵活、减少映射层、效率高降低一致性、系统更复杂
微内核保留在内核的四样
①低级进程 / 线程管理
②低级存储管理
③中断和陷入处理
④进程间通信（搬不出去，它是其余服务协作的手段）
常见题眼多半对应
效率高、内核庞大、服务都在内核态宏内核
只保留最基本机制、服务外移、可靠可扩展微内核
按层调用、下层为上层服务、便于验证分层法
高内聚低耦合、可动态加载模块化
只负责保护和复用硬件、把控制权交给上层外核

考点

  • 五种结构及其优缺点，分层法与模块化的优缺点互补
  • 微内核性能差的原因是”模式切换 + 进程切换 + 消息传递”取代了函数调用
  • 微内核不是没有内核；宏内核也可以是模块化的
  • 判据：宏内核 vs 微内核看”服务运行在哪个模式”，不看代码是否分模块
  • 进程间通信必须留在微内核里，因为其余服务靠它协作
  • 外核的特点是”不做抽象”，直接分配未经抽象的硬件资源

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