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标题: 在你成为“黑客”前，必须得学习的“操作体系架构体系” [打印本页]

作者: 滴水恩情 时间: 2024-6-13 13:04
标题: 在你成为“黑客”前，必须得学习的“操作体系架构体系”
我们先做个比喻，盘算机就比如一栋具备"智能功能的大楼"，操作体系就是负责这栋"智能大楼"和谐、管理和控制的"总控中央"，盘算机硬件就是组成这栋大楼的"钢筋、水泥"，应用软件就是大楼里一个个具体的"环境、消防、职员监控体系"。
我们先做个比喻，盘算机就比如一栋具备"智能功能的大楼"，操作体系就是负责这栋"智能大楼"和谐、管理和控制的"总控中央"，盘算机硬件就是组成这栋大楼的"钢筋、水泥"，应用软件就是大楼里一个个具体的"环境、消防、职员监控体系"。这时间假如要入侵这栋智能大楼，我们最告急夺取哪一个关键点?我信赖大家一定会选择"总控中央"。因此对于黑客学习内容里关键的一部分就是对于操作体系整体架构的掌握。
本日就以本篇文章，让大家对盘算机体系架构有个初步认识!便于将来的学习中对操作体系有个更深刻的明确。
一、操作体系的界说
操作体系(英语：operating system，作OS)是管理与资源的，同时也是盘算机体系的内核与基石。操作体系必要处理如管理与设置、决定体系资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作与管理等根本事务。操作体系也提供一个让用户与体系交互的操作界面。
操作体系是作为盘算机硬件和盘算机用户之间的中介的程序。操作体系的目的是为用户提供方便且有效地执行程序的环境。操作体系是管理盘算机硬件的软件，硬件必须提供符合的机制来保证盘算机体系的正确性，以及确保体系不受用户程序干扰正常运行。操作体系庞大而复杂，因此它必须被分块构造。每一块都是体系中明确界说的一部分，具有严格界说的输入、输出和功能。

操作体系由操作体系的内核(运行于内核态，管理硬件资源)以及体系调用(运行于用户态，为应用程序员写的应用程序提供体系调用接口)两部分组成，所以，单纯的说操作体系是运行于内核态的，是不正确的。
二、操作体系的目标和作用
1、操作体系的目标：
1)有效性：提高体系资源使用率;提高体系的吞吐量。
2)方便性：
3)可扩充性：
4)开放性：开放性是指操作体系能遵循天下尺度规范，特别是遵循开放体系互联(OSI) 国际尺度。凡遵循国际尺度所开放的硬件和软件，均能彼此兼容，可方便的实现互连。
2、操作体系的作用：
1)OS 作为用户与盘算机硬件体系之间的接口：OS 处于用户与盘算机硬件体系之间，用户通过 OS 来使用盘算机体系。

①下令方式：这是指由OS 提供了一组联机下令接口，以允许用户通过键盘输入有关下令来取得操作体系的服务，并控制用户程序的运行。
②体系调用方式：OS 提供了一组体系调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的体系调用，来实现与操作体系的通信，并取得它的服务。
③图形、窗口方式：这是当前使用最为方便、最为广泛的接口，它允许用户通过屏幕上的窗口和图标来实现与操作体系的通信，并取得它的服务。
2)OS 作为盘算机体系资源的管理者
体系资源分为四类：处理器、存储器、I/O设备、信息(数据和程序)。OS 的主要功能也正是针对这四类资源进行有效的管理，即：处理机管理，用于分配和控制处理机;存储器管理，主要负责内存的分配与回收;I/O 设备管理，负责 I/O设备的分配与操纵;文件管理，负责文件的存取、共享和保护。
当一个盘算机体系同时供多个用户使用时，用户对体系中共享资源的需求(包罗数量和时间)可能发生冲突，为了更好的管理好这些共享资源(包罗硬件和信息)的使用，操作体系必须记载下各种资源的使用情况，对使用资源的哀求进行授权，和谐诸用户对共享资源的使用，避免发生冲突，并盘算使用资源的费用等。
3)OS 实现了对盘算机资源的抽象
对于一个完全无软件的盘算机体系(即裸机)，它向用户提供的是实际硬件接口(物理接口)，用户必须对物理接口的实现细节有充分的相识，并使用呆板指令进行编程，因此该物理呆板肯定是难以使用的。
在裸机上铺设的 I/O软件隐藏了对 I/O 设备操作的具体细节，向上提供了一组抽象的 I/O 设备。

OS 是铺设在盘算机硬件上的多层体系软件，它们不仅加强了体系的功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节，由它们实现了对盘算机硬件操作的多个层次的抽象。
三、操作体系的结构
1、单一体结构
单一体结构是最早期的结构，这时整个OS是一个巨大的单一体，运行在内核态下，为用户提供服务，如下图所示。

单一体结构各功能块之间关系复杂，修改困难，牵一发而动全身，且容易形成循环调用造成死锁，于是有了下面的层次关系。
2、分层结构
将操作体系的功能分成不同的层次，低层次的功能为紧邻其上一个层次的功能提供服务，而高层次的功能又为更高一个层次的功能提供服务，如下图所示。

分层结构的主要优点：①易保证体系的正确性。自上而下的计划方式，是全部的计划中的决定都是有序的，或者说是建立在较为可靠的基础上，如许比力容易保证整个体系的正确性。②易扩充和易维护性。在体系中增加、修改或更换一个层次中的模块或整个层次，只要不改变相应层次间的接口，就不会影响别的层次，这必将使体系维护和扩充变得更加容易。
分层结构的主要缺点：体系效率低落了。由于层次结构是分层单向依赖的，因此必须在相邻层之间都要建立层次间的通信机制，OS 每执行一个功能，通常要自上而下地穿越多个层次，这无疑会增加体系的通信开销，从而导致体系效率的低落。
3、微内核结构
从单一体和层次化结构的图中可以看出，操作体系的全部功能都在内核态下运行。但是，从用户态转为内核态是偶然间成本的，如许就会造成OS的效率低下。于是，人们将操作体系的核心中的核心才放在内核态运行，其他功能都迁徙到用户态运行，于是就有了下面的微内核结构。

微内核操作体系的优点：
1)提高了体系的可扩展性由于微内核 OS 的很多功能是由相对独立的服务器软件来实现的，当开发了新的硬件和软件时，微内核 OS 只需在相应的服务器中增加新的功能，或再增加一个专门的服务器。
2)加强了体系的可靠性由于微内核是出于精心计划和严格测试的，容易保证其正确性;另一方面是它提供了规范而精简的应用程序接口(API)，为微内核外部的程序编制高质量的代码创造了条件。此外，由于全部服务器都是运行在用户态，服务器与服务器之间采用的是消息通报通信机制，因此，当某个服务器出现错误时，不会影响内核，也不会影响其他服务器。
3)可移植性在微内核结构的操作体系中，全部与特定 CPU 和 I/O 设备硬件有关的代码，均放在内核和内核下面的硬件隐藏层中，而操作体系别的绝大部分(即各种服务器)均与硬件平台无关，因而，把操作体系移植到另一个盘算机硬件平台上所需的修改是比力小的。
4)提供了对分布式体系的支持由于在微内核 OS 中，客户和服务器之间以及服务器和服务器之间的通信，是采用消息通报通信机制进行的，致使微内核 OS 能很好地支持分布式体系和网络体系。事实上，只要在分布式体系中赋予全部历程和服务器唯一的标识符，在微内核中再设置一张体系映射表(即历程和服务器的标识符与它们所驻留的呆板之间的对应表)，在进行客户和服务器通信时，只需在所发送的消息中表上所发送历程和接收历程的标识符，微内核便可使用体系映射表，将消息发往目标，而无论目标是驻留在哪台呆板上。
5)融入了面向对象技术在计划微内核 OS 时，采用了面向对象的技术，其中的"封装"、“继承”、“对象类"和"多态性”，以及在对象之间采用消息通报机制等，都非常有利于提高体系的的"正确性"、“可靠性”、“易修改性”、"易扩展性"等，而且还能明显地减少开发体系所付出的开销。
微内核体系存在的问题：在微内核 OS 中，由于客户和服务器及服务器和服务器之间的通信，都需通过微内核，只是同样的服务哀求至少必要四次上下文切换。第一次是发生在客户发送哀求消息给内核，以哀求取得某服务器特定的服务时;第二次是发生在由内核把客户的哀求消息发往服务器时，第三次是当服务器完成客户的哀求后，把响应消息发送到内核时;第四次是在内核将响应消息发送给客户时。实际情况是，当某个服务器自身尚无能力完成客户哀求，而必要其他服务器资助时，如下图所示，其中的文件服务器还必要磁盘服务器的资助，这时就必要进行上下文的切换。

为了改善运行效率，可以重新把一些常用的操作体系的根本功能，由服务器移入微内核中，如许可使客户对常用操作体系的功能的哀求所发生的用户/内核模式和上下文切换的次数。但是这又会使微内核的容量明显的增大，在小型接口界说温顺应性方面的有点也有所降落，同时也提高了微内核的计划代价
四、操作体系的功能
主要功能：
1、隐藏了硬件调用接口，为应用程序员提供调用硬件资源的更好，更简单，更清楚的模子(体系调用接口)。应用程序员有了这些接口后，就不用再考虑操作硬件的细节，用心开发自己的应用程序即可。
例如：操作体系提供了文件这个抽象概念，对文件的操作就是对磁盘的操作，有了文件我们无需再去考虑关于磁盘的读写控制(比如控制磁盘转动，移动磁头读写数据等细节)，
2、将应用程序对硬件资源的竞态哀求变得有序化
例如：很多应用软件其实是共享一套盘算机硬件，比方说有可能有三个应用程序同时必要申请打印机来输出内容，那么a程序竞争到了打印机资源就打印，然后可能是b竞争到打印机资源，也可能是c，这就导致了无序，打印机可能打印一段a的内容然后又去打印c，操作体系的一个功能就是将这种无序变得有序。
具体功能：
(1) 处理机管理功能
处理机管理的主要功能是创建和撤销历程，对诸历程的运行进行和谐，实现历程之间的信息交换，以及按照一定的算法把处理及分配给历程。
1、历程控制
历程控制的主要功能是为作业创建历程，撤销已结束的历程，以及控制历程在运行过程中的状态转换。
2、历程同步
历程同步的主要使命是为多个历程的运行进行和谐。有两种和谐方式：
1)历程互斥方式：这是指诸历程在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式;
2)历程同步方式：这是指在相互互助去完成功能使命的诸历程间，由同步机构对他们的执行次序加以和谐。
3、历程通信
在多道程序环境下，为了加速应用程序的运行，应在体系中建立多个历程，并且再为一个历程建立若干个线程，由这些历程(线程)相互互助去完成一个共同的使命。
4、调度
1)作业调度
作业调度的根本使命是从后备队列中按照一定的算法，选择出若干个作业，为他们分配运行所需的资源。在将他们调入内存后，便分别为他们建立历程，使他们都成为可能得随处理机的停当历程，并按照一定的算法将他们插入停当队列。
2)历程调度
历程调度的使命是从历程的停当队列中，按照一定的算法选出一个历程，把处理机分配给它，并为它设置运行现场，使历程投入执行。值得提出的是，在多线程OS中，通常是把线程作为独立运行和分配处理机的根本单元，为此，须把停当线程排成一个队列，每次调度时，是从停当线程队列中选出一个线程，把处理机分配给它。
(2) 存储器管理功能
存储器的主要使命是为多道程序的运行提供精良的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的使用率以及能从逻辑上扩充内存。
1、内存分配
内存分配的主要使命是为每道程序分配内存空间，使它们"各得其所";提高存储器的使用率，以减少不可用的内存空间;允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以顺应程序和数据动态增长的必要。
为了实现内存分配，在内存分配的机制中应具有如许的结构功能：
1)内存分配数据结构。该结构用于记载内存空间的使用情况，作为内存分配的依据。
2)内存分配功能。体系按照一定的内存分配算法为用户程序分配内存空间。
3)内存回收功能。体系对用用户不再必要的内存，通过用户的开释哀求去完成体系的回收功能。
2、内存保护
内存保护的主要使命是确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰;决不允许用户程序访问操作体系的程序和数据;也决不允许用户程序转移到非共享的其他用户程序中去执行。
3、地址映射
4、内存扩充
为了能在逻辑上扩充内存，体系必须具有内存扩充机制，用于实现下述各功能：
1)哀求调入功能。
允许在装入一部分用户程序和数据的情况下，便能启动该程序运行。在程序运行过程中，若发现要继续运行时所需的程序和数据尚未装入内存，可向OS发出哀求，由OS从磁盘中将所需部分调入内存，以便继续运行。
2)置换功能。
若发现在内存中已无足够的空间来装入必要调入的程序和数据时，体系应能将内存中的一部分临时不用的程序和数据调至盘上，以腾出内存空间，然后再将所需调入的部分装入内存。
(3) 设备管理功能
完成用户历程提出的 I/O 哀求;为用户历程分配所需的 I/O 设备;提高 I/O 设备和 CPU 的使用率;提高 I/O 速率;方便用户使用 I/O 设备。
设备管理应具有：缓冲管理，设备分配，设备处理以及假造设备等功能。
1、缓冲管理：
2、设备分配：
设备分配的根本使命是根据用户历程的 I/O 哀求、体系的现有资源情况以及按某种设备的分配计谋，为之分配其所需的设备。
3、设备处理：
设备处理的根本使命是用于实现 CPU 和设备控制之间的通信。
4、假造设备：
(4) 文件管理功能
文件管理的主要使命是对用户文件和体系文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。
为此，文件管理应具有对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读/写管理，以及文件的共享与保护等功能。
1、文件存储空间的管理
为每个文件分配必要的外存空间，提高外存使用率，并能有助于提高文件体系的存、取速率。
2、目录管理
为每个文件建立其目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现方便的按名存取，即用户只需提供文件名便可对该文件进行存取。
3、文件的读/写管理和保护
1)文件的读、写管理
根据用户的哀求，从外存中读取数据，或将数据写入外存。
2)文件保护
①防止未经核准的用户存取文件
②防止冒名顶替存取文件
③防止以不正确的方式使用文件
(5) 操作体系与用户之间的接口
用户与操作体系的接口：
1、用户接口
它是提供给用户使用的接口，用户可通过该接口取得操作体系的服务。
1)联机用户接口
为联机用户提供，它由一组键盘操作下令及下令解释程序所组成。
2)脱机用户接口
为批处理作业的用户提供的，故也称批处理用户接口。该接口由一组作业控制语言(JCL)组成。批处理作业的用户不能直接与自己的作业交互作用，只能委托体系代替用户对作业进行干预和控制。这里的作业控制语言 JCL 便是把必要对作业进行的控制和干预事先写在作业阐明书上，然后将作业和作业阐明书一起提供给体系。
3)图形用户接口
图形用户接口采用了图形化的操作界面，用非常容易辨认的各种图标将体系的各项功能、各种应用程序和文件，直观、逼真的表现出来。
2、程序接口
是为用户程序在执行中访问体系资源而设置的，是用户程序取得操作体系服务的唯一途径。
5、主流操作体系架构图
1）、Windows操作体系架构图

2、Linux操作体系架构图
体系一样寻常有4个主要部分：
内核、shell、文件体系和应用程序。内核、shell和文件体系一起形成了根本的结构，它们使得用户可以运行程序、管理文件并使用体系。

3、Android体系架构图

4、Mac体系架构图

最后

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