1. 分層法

　　分層法是將操作系統分為若干層，最底層(層0)為硬件，最高層(層N)為用戶接口，每層只能調用緊鄰它的低層的功能和服務(單向依賴)。

　　分層法的優點：

        ①便于系統的調試和驗證，簡化了系統的設計和實現。第1層可先調試而無須考慮系統的其他部分，因為它只使用了基本硬件。第1層調試完且驗證正確之后，就可以調試第2層，如此向上。如果在調試某層時發現錯誤，那么錯誤應在這一層上，這是因為它的低層都調試好了。

        ②易擴充和易維護。 在系統中增加、修改或替換一層中的模塊或整層時，只要不改變相應層間的接口，就不會影響其他層。

　　分層法的問題：

        ①合理定義各層比較困難。因為依賴關系固定后，往往就顯得不夠靈活。

        ②效率較差。操作系統每執行一個功能，通常要自上而下地穿越多層，各層之間都有相應的層間通信機制，這無疑增加了額外的開銷，導致系統效率降低。

　　2. 模塊化

　　模塊化是將操作系統按功能劃分為若干具有一定獨立性的模塊。每個模塊具有某方面的管理功能，并規定好各模塊間的接口，使各模塊之間能夠通過接口進行通信。還可以進一步將各模塊

        計算機系統概述

　　細分為若干具有一定功能的子模塊，同樣也規定好各子模塊之間的接口。這種設計方法被稱為模塊-接口法，

　　在劃分模塊時，如果將模塊劃分得太小，雖然能降低模塊本身的復雜性，但會使得模塊之間 的聯系過多，造成系統比較混亂;如果模塊劃分得過大，又會增加模塊內部的復雜性，顯然應在 兩者間進行權衡。此外，在劃分模塊時，要充分考慮模塊的獨立性問題，因為模塊獨立性越高， 各模塊間的交互就越少，系統的結構也就越清晰。衡量模塊的獨立性主要有兩個標準：

　　? 內聚性，模塊內部各部分間聯系的緊密程度。內聚性越高，模塊獨立性越好。

　　? 耦合度，模塊間相互聯系和相互影響的程度。耦合度越低，模塊獨立性越好。

　　模塊化的優點：

        ①提高了操作系統設計的正確性、可理解性和可維護性;

        ②增強了操作系統的可適應性;

        ③加速了操作系統的開發過程。

　　模塊化的缺點：

        ①模塊間的接口規定很難滿足對接口的實際需求。

        ②各模塊設計者齊頭并進，

　　每個決定無法建立在上一個已驗證的正確決定的基礎上，因此無法找到一個可靠的決定順序。

　　3. 宏內核

　　從操作系統的內核架構來劃分，可分為宏內核和微內核。

　　宏內核，也稱單內核或大內核，是指將系統的主要功能模塊都作為一個緊密聯系的整體運行 在核心態，從而為用戶程序提供高性能的系統服務。因為各管理模塊之間共享信息，能有效利用 相互之間的有效特性，所以具有無可比擬的性能優勢。

　　隨著體系結構和應用需求的不斷發展，需要操作系統提供的服務越來越復雜，操作系統的設 計規模急劇增長，操作系統也面臨著“軟件危機”困境。就像一個人，越胖活動起來就越困難。 所以就出現了微內核技術，就是將一些非核心的功能移到用戶空間，這種設計帶來的好處是方便 擴展系統，所有新服務都可以在用戶空間增加，內核基本不用去做改動。

　　從操作系統的發展來看，宏內核獲得了絕對的勝利，目前主流的操作系統，如Windows>

　　Android> iOS> macOS> Linux等，都是基于宏內核的構架。但也應注意到，微內核和宏內核一 直是同步發展的，目前主流的操作系統早已不是當年純粹的宏內核構架了，而是廣泛吸取微內核構架的優點而后揉合而成的混合內核。當今宏內核構架遇到了越來越多的困難和挑戰，而微內核的優勢似乎越來越明顯，尤其是谷歌的Fuchsia和華為的鴻蒙OS,都瞄準了微內核構架。

　　4. 微內核

　　(1) 微內核的基本概念

　　微內核構架，是指將內核中最基本的功能保留在內核，而將那些不需要在核心態執行的功能 移到用戶態執行，從而降低內核的設計復雜性。那些移出內核的操作系統代碼根據分層的原則被 劃分成若干服務程序，它們的執行相互獨立，交互則都借助于微內核進行通信。

　　微內核結構將操作系統劃分為兩大部分：微內核和多個服務器。微內核是指精心設計的、能實現操作系統最基本核心功能的小型內核，通常包含：

①與硬件處理緊密相關的部分;

②一些較基本的功能;

③客戶和服務器之間的通信。這些部分只是為構建通用操作系統提供一個重要基礎, 這樣就可以確保將內核做得很小。操作系統中的絕大部分功能都放在微內核外的一組服務器

　　在微內核結構中，為了實現高可靠性，只有微內核運行在內核態，其余模塊都運行在用戶態, 一個模塊中的錯誤只會使這個模塊崩潰，而不會使整個系統崩潰。例如，文件服務代碼運行時出了問題，宏內核因為文件服務是運行在內核態的，系統直接就崩潰了。而微內核的文件服務是運行在用戶態的，只要把文件服務功能強行停止，然后重啟，就可以繼續使用，系統不會崩潰。

　　(2) 微內核的基本功能

　　微內核結構通常利用“機制與策略分離”的原理來構造OS結構，將機制部分以及與硬件緊

　　微內核通常具有如下功能：

　　① 進程(線程)管理。進程(線程)之間的通信功能是微內核OS最基本的功能，此外還有進程的切換、進程的調度，以及多處理機之間的同步等功能，都應放入微內核中。舉個例子，為 實現進程調度功能，需要在進程管理中設置一個或多個進程優先級隊列，這部分屬于調度功能的機制部分，應將它放入微內核中。而對用戶進程如何分類，以及優先級的確認方式，則屬于策略 問題，可將它們放入微內核外的進程管理服務器中。

　　② 低級存儲器管理。在微內核中，只配置最基本的低級存儲器管理機制，如用于實現將邏輯地址變換為物理地址等的頁表機制和地址變換機制，這一部分是依賴于硬件的，因此放入微內核。而實現虛擬存儲器管理的策略，則包含應采取何種頁面置換算法，采用何種內存分配與回收的策略，應將這部分放在微內核外的存儲器管理服務器中。

　　③ 中斷和陷入處理。微內核OS將與硬件緊密相關的一小部分放入微內核，此時微內核的主要功能是捕獲所發生的中斷和陷入事件，并進行中斷響應處理，在識別中斷或陷入的事件后，再發送給相關的服務器來處理，故中斷和陷入處理也應放入微內核。

　　微內核操作系統將進程管理、存儲器管理以及I/O管理這些功能一分為二，屬于機制的很小 一部分放入微內核，而絕大部分放入微內核外的各種服務器實現，大多數服務器都要比微內核大。因此，在采用客戶/服務器模式時，能把微內核做得很小。

　　(3) 微內核的特點

　　微內核結構的優點主要有：

　　① 擴展性和靈活性。許多功能從內核中分離出來，當要修改某些功能或增加新功能時，只需在相應的服務器中修改或新增功能，或再增加一個專用的服務器，而無須改動內核代碼。

　　② 可靠性和安全性。前面已舉例說明。

　　③ 可移植性。與CPU和I/O硬件有關的代碼均放在內核中，而其他各種服務器均與硬件平臺無關，因而將操作系統移植到另一個平臺上所需做的修改是比較小的。

　　④ 分布式計算。客戶和服務器之間、服務器和服務器之間的通信采用消息傳遞機制，這就使得微內核系統能很好地支持分布式系統和網絡系統。

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　　微內核結構的主要問題是性能問題，因為需要頻繁地在核心態和用戶態之間進行切換，操作系統的執行開銷偏大。為了改善運行效率，可以將那些頻繁使用的系統服務移回內核，從而保證 系統性能，但這又會使微內核的容量明顯地增大。

　　雖然宏內核在桌面操作系統中取得了絕對的勝利，但是微內核在實時、工業、航空及軍事應 用中特別流行，這些領域都是關鍵任務，需要有高度的可靠性。

　　5. 外核

　　不同于虛擬機克隆真實機器，另一種策略是對機器進行分區，給每個用戶整個資源的一個子集。這樣，某個虛擬機可能得到磁盤的0至1023盤塊，而另一臺虛擬機會得到磁盤的1024至2047 盤塊，等等。在底層中，一種稱為外核(exokernel)的程序在內核態中運行。它的任務是為虛擬 機分配資源，并檢查使用這些資源的企圖，以確保沒有機器會使用他人的資源。每個用戶層的虛擬機可以運行自己的操作系統，但限制只能使用已經申請并且獲得分配的那部分資源。

　　外核機制的優點是減少了映射層。在其他的設計中，每個虛擬機都認為它有自己的磁盤，其盤塊號從0到最大編號，這樣虛擬機監控程序就必須維護一張表格以重映像磁盤地址(或其他資 源)，有了外核，這個重映射處理就不需要了。外核只需要記錄已經分配給各個虛擬機的有關資源即可。這種方法還有一個優點，它將多道程序(在外核內)與用戶操作系統代碼(在用戶空間 內)加以分離，而且相應的負載并不重，因為外核所做的只是保持多個虛擬機彼此不發生沖突。