?在（一）詳解CPU中介紹了操作系統(tǒng)所基于的硬件CPU后，本部分學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的架構(gòu)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)的架構(gòu)通常包括以下幾個(gè)主要組件：
- 內(nèi)核（Kernel）
- 進(jìn)程管理（Process Management）
- 內(nèi)存管理（Memory Management）
- 文件系統(tǒng)管理（File System Management）
- 設(shè)備管理（Device Management）
- 網(wǎng)絡(luò)管理（Network Management）
其管理和交互形式如下圖：
在某些情況下，可以將操作系統(tǒng)理解為內(nèi)核。內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心組件，它直接管理硬件資源并執(zhí)行系統(tǒng)的底層任務(wù)。嚴(yán)格來說，操作系統(tǒng)不僅包括內(nèi)核，還包括其他組件，如系統(tǒng)庫、用戶界面、應(yīng)用程序、命令行工具等。
1. 操作系統(tǒng)分類
根據(jù)任務(wù)響應(yīng)時(shí)間要求的不同可分為
- 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：通常具有非常短的響應(yīng)時(shí)間，可以滿足對任務(wù)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場景，如航空航天、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等。比如VxWorks/RTLinux
- 必須在預(yù)定的時(shí)間范圍內(nèi)完成對事件的響應(yīng)和處理，即使在高負(fù)載時(shí)也不能出現(xiàn)延遲。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分為硬實(shí)時(shí)（Hard Real-Time）和軟實(shí)時(shí)（Soft Real-Time）兩類。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)絕對保證任務(wù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，而軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)在大部分情況下能夠滿足響應(yīng)時(shí)間要求，但在極端情況下可能會發(fā)生延遲。
- 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用預(yù)定的調(diào)度算法，如固定優(yōu)先級調(diào)度（Fixed Priority Scheduling）或最早截止時(shí)間優(yōu)先調(diào)度（Earliest Deadline First Scheduling），以確保高優(yōu)先級任務(wù)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到處理。
- 非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：適用于大多數(shù)普通應(yīng)用，如個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等。比如Linux、Android。
- 非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間沒有嚴(yán)格的限制，它更關(guān)注任務(wù)的吞吐量和效率。非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)允許任務(wù)在不同的時(shí)間片中完成，任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間可能會有所波動，但在大多數(shù)情況下不會影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。
- 非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用通用的調(diào)度算法，如輪轉(zhuǎn)調(diào)度（Round Robin Scheduling）、優(yōu)先級調(diào)度（Priority Scheduling）等，以平衡任務(wù)之間的公平性和系統(tǒng)資源的利用率。
主要區(qū)別在于對任務(wù)響應(yīng)時(shí)間的要求和任務(wù)調(diào)度方式的不同。
2. 操作系統(tǒng)內(nèi)核
基本功能：
- 管理進(jìn)程、線程，決定哪個(gè)進(jìn)程、線程使用 CPU，也就是進(jìn)程調(diào)度的能力；
- 管理內(nèi)存，決定內(nèi)存的分配和回收，也就是內(nèi)存管理的能力；
- 管理硬件設(shè)備，為進(jìn)程與硬件設(shè)備之間提供通信能力，也就是硬件通信能力；
PS：操作系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)硬件管理，就是因?yàn)閮?nèi)核中包含了管理CPU的進(jìn)程管理組件，管理memory的內(nèi)存管理組件，管理其他外設(shè)存儲的文件管理組件，管理其他設(shè)備的設(shè)備管理組件（設(shè)備驅(qū)動程序，在內(nèi)核空間運(yùn)行）
- 提供系統(tǒng)調(diào)用，如果應(yīng)用程序要運(yùn)行更高權(quán)限運(yùn)行的服務(wù)，那么就需要有系統(tǒng)調(diào)用，它是用戶程序與操作系統(tǒng)之間的接口。
工作方式：按照程序工作時(shí)占用的內(nèi)存空間地址劃分。
- 內(nèi)核空間，這個(gè)內(nèi)存空間只有內(nèi)核程序可以訪問；內(nèi)核空間的代碼（感覺指令更準(zhǔn)確）可以訪問所有內(nèi)存空間。當(dāng)程序使內(nèi)核空間時(shí)，程序則在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行。
- 用戶空間，這個(gè)內(nèi)存空間專門給應(yīng)用程序使用；用戶空間的代碼只能訪問一個(gè)局部的內(nèi)存空間。當(dāng)程序使用用戶空間時(shí)，常說該程序在用戶態(tài)執(zhí)行。
兩種工作方式怎么切換：當(dāng)應(yīng)用程序使用系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)中斷（軟中斷，因?yàn)槭菓?yīng)用程序使用系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生的）。然后 CPU 會中斷（就是前面那個(gè)中斷）當(dāng)前在執(zhí)行的用戶程序，轉(zhuǎn)而跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序，也就是開始執(zhí)行內(nèi)核程序。內(nèi)核處理完后，主動觸發(fā)中斷，把 CPU 執(zhí)行權(quán)限交回給用戶程序，回到用戶態(tài)繼續(xù)工作。
2.1 Linux內(nèi)核
核心理念和技術(shù)：
- MultiTask，多任務(wù)：Linux支持多任務(wù)，能夠在同一時(shí)間內(nèi)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序，通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)等調(diào)度算法來分配處理器時(shí)間。
- SMP，對稱多處理：Linux采用SMP架構(gòu)，允許多個(gè)處理器核心并行地執(zhí)行任務(wù)。每個(gè) CPU 的地位是相等的，多個(gè) CPU 共享同一個(gè)內(nèi)存，每個(gè) CPU 都可以訪問完整的內(nèi)存和硬件資源。這一特點(diǎn)決定了每個(gè)程序都可以被分配到任意一個(gè) CPU 上被執(zhí)行。
- ELF，可執(zhí)行文件鏈接格式：Linux 操作系統(tǒng)中可執(zhí)行文件、共享庫、目標(biāo)文件等的存儲格式。定義了文件的結(jié)構(gòu)，包括程序代碼、數(shù)據(jù)、符號表等信息。
??代碼首先通過「編譯器」編譯成匯編代碼，接著通過「匯編器」變成目標(biāo)代碼，也就是目標(biāo)文件，最后通過「鏈接器」把多個(gè)目標(biāo)文件以及調(diào)用的各種函數(shù)庫鏈接起來，形成一個(gè)可執(zhí)行文件，也就是 ELF 文件。
??執(zhí)行 ELF 文件的時(shí)候，會通過「裝載器」把 ELF 文件裝載到內(nèi)存里，CPU 讀取內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)，于是程序就被執(zhí)行起來了。 - Monolithic Kernel（宏內(nèi)核）：宏內(nèi)核是一種操作系統(tǒng)內(nèi)核架構(gòu)，其中操作系統(tǒng)的大部分功能（如進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動等）都實(shí)現(xiàn)在內(nèi)核空間，即Linux 的內(nèi)核是一個(gè)完整的可執(zhí)行程序，且擁有最高的權(quán)限。Linux內(nèi)核最初是一個(gè)宏內(nèi)核，但隨著時(shí)間的推移，它采用了一些微內(nèi)核的概念（微內(nèi)核架構(gòu)的內(nèi)核只保留最基本的能力，比如進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、中斷等，把一些應(yīng)用放到了用戶空間，比如驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)等。這樣服務(wù)與服務(wù)之間是隔離的，單個(gè)服務(wù)出現(xiàn)故障或者完全攻擊，也不會導(dǎo)致整個(gè)操作系統(tǒng)掛掉，提高了操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性），將一部分功能以模塊的形式加載，實(shí)現(xiàn)了一種混合內(nèi)核結(jié)構(gòu)。
一些功能可以在運(yùn)行時(shí)動態(tài)加載和卸載，而不需要重新編譯內(nèi)核，比如:
??設(shè)備驅(qū)動程序：很多設(shè)備驅(qū)動程序可以作為模塊加載，以支持新的硬件。
??文件系統(tǒng)模塊：一些不太常用的文件系統(tǒng)可以作為模塊加載，以減小內(nèi)核的大小。
??網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧：某些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?？梢宰鳛槟K加載，以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-637254.html
2.2 Windows內(nèi)核
??Windows 10 使用的內(nèi)核叫 Windows NT，NT 全稱叫 New Technology。Windows 和 Linux 一樣，同樣支持 MultiTask 和 SMP，但不同的是，Window 的內(nèi)核設(shè)計(jì)是混合型內(nèi)核，內(nèi)核中有一個(gè) MicroKernel 模塊，而其他模塊就在這個(gè)基礎(chǔ)上搭建，整個(gè)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)是一個(gè)完整的程序。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-637254.html
- Windows 的可執(zhí)行文件格式叫 PE，稱為可移植執(zhí)行文件，擴(kuò)展名通常是.exe、.dll、.sys等。
到了這里，關(guān)于Linux操作系統(tǒng)（二）：操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與內(nèi)核設(shè)計(jì)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
