1.5　OS结构设计

早期操作系统规模小，仅几十 KB，一用户数月即可完成，是否有结构并不重要，重要的是程序员的技巧。

但随着 OS 越来越大，代码越来越多，往往要几十甚至几百用户分工合作，靠个用户技巧已经撑不住。于是必须用工程化的方法来开发大型软件，这就催生了「软件工程学」，操作系统的结构设计也成了真正的工程问题。

无结构操作系统把注意力放在功能实现和高效率上，缺乏一致的设计思想。整个 OS 是大量过程的集合，每个过程可以任意调用别的过程，内部既复杂又混乱。

模块化结构 OS 按功能划分成若干个有一定独立性和大小的模块。比起无结构 OS，它有明显优点。

衡量模块独立性的标准是内聚性和耦合度：内聚越高、耦合越低，模块独立性越好。

1. 提高 OS 设计的正确性、可理解性和可维护性
2. 增强 OS 的可适应性
3. 加速 OS 的开发过程

模块化结构仍存在问题：接口规定很难提前定准；各模块齐头并进，缺乏可靠的决定顺序，因此又被称为「无序模块法」。

分层式结构在裸机 A0 和目标系统 An 之间铺设若干层软件 A1、A2、…、An-1，每层只调用下一层，自底向上有序构建。

分层结构的主要缺点如下：

1. 易保证系统的正确性
2. 易扩充和易维护

1. 各层间通信开销大，功能不能跨层调用，效率受到影响。

组成：客户机 · 服务器 · 网络

客户/服务器（Client/Server）把「谁要服务」和「谁提供服务」拆开。一套 C/S 系统通常由三部分组成。

客户与服务器的四步交互

一次典型交互是四步报文往来。用下方交互动画逐步播放，比死记条目更容易建立画面感。

1. 客户发送请求消息
2. 服务器接收消息并处理
3. 服务器回送应答消息
4. 客户机接收消息

客户/服务器模式的优点

相对集中式大型机或纯对等结构，C/S 模式常见优点如下：

1. 数据的分布处理和存储
2. 便于集中管理
3. 灵活性和可扩充性
4. 易于改编应用软件

面向对象技术把计算机中的实体抽象成对象：每个对象由封装的数据结构（变量/属性）和一组操作过程（方法）组成。比如把一个文件当作对象，它的变量就是文件类型、大小、创建者等。

许多对象表示同一类事物，各有自己的变量，但方法相同。于是用「对象类」来定义一组相似的对象：类定义了一组变量和对应的方法，描述对象的共同属性和行为。类是对象上的抽象，对象是类的实例。

面向对象技术支持继承：根据已有的类定义新类，新类叫子类，原来的叫父类。父类可以派生多个子类，子类也可以有两个或多个父类——这就是多重继承，可以减少重复开发。

在操作系统设计中把实体当作对象来处理，有几个好处。

1. 通过「重用」提高产品质量和生产率
2. 更易于保证系统的正确性和可靠性
3. 通过封装隐蔽对象中的变量和方法，使系统具有更好的易修改性和易扩展性
4. 利用继承特性显著减少开发的时空开销

在微内核操作系统中，内核是指精心设计的、能实现现代OS最基本核心功能的小型内核，微内核并非是一个完整的OS，而只是将操作系统中最基本的部分放入微内核。 通常包含：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。

单机微内核操作系统中几乎无一例外地都采用客户/服务器模式，将操作系统中最基本的部分放入内核中，而把操作系统的绝大部分功能都放在微内核外面的一组服务器(进程)中实现。

机制与策略分离

微内核设计常强调「机制与策略分离」：机制放进内核，策略放在外面的服务里。

微内核的基本功能

微内核应装哪些功能尚无统一标准；常见做法是只保留与硬件紧密相关的机制，以及支撑消息传递的最小集合。点开下方动画，对照三项基本功能。

由于微内核OS结构是建立在模块化、层次化结构的基础上的，并采用了客户/服务器模式和面向对象的程序设计技术，因此，微内核结构的操作系统是集各种技术优点之大成，因而使之具有如下优点。

1. 提高了系统的可扩展性
2. 增强了系统的可靠性
3. 可移植性强
4. 提供了对分布式系统的支持
5. 融入了面向对象技术

较之早期的操作系统，微内核操作系统的运行效率有所降低。

效率降低的最主要原因：在完成一次客户对操作系统提出的服务请求时，需要利用消息实现多次交互和进行用户/内核模式与上下文的多次切换： 一次在执行系统调用后由用户态转向系统态时； 另一次在系统完成用户请求的服务后，由系统态返回用户态时。