王道操作系统，视频链接：1.4 操作系统体系结构（下）

操作系统结构表

图中标记有五角星的为重要内容，其中红色是新内容，黄色是之前讲解过的大内核与微内核内容。

分层结构

操作系统被分为多层，最底层是硬件，最高层是用户接口，每层可调用更低一层。

• 优点：
  1. 便于调试和验证，自底向上逐层调试验证。
  2. 易扩充和易维护，各层之间调用接口清晰固定。
• 缺点：
  1. 仅可调用相邻低层，难以合理定义各层的边界。
     比如A需要调用B，B也可能调用A，这样边界就不明确。
  2. 效率低，不可跨层调用，系统调用执行时间长。
     比如A要直接调用D，但是分层结构只允许A调用B，B调用C，C再调用D，这样就很费时间。

模块化

将内核划分为多个模块，各模块之间相互协作
内核=主模块（进程、内存等）＋可加载内核模块（驱动等）
主模块：只负责核心功能，如进程调度、内存管理
可加载内核模块：可以动态加载新模块到内核，而无需重新编译整个内核

• 优点：
  1. 模块间逻辑清晰易于维护，确定模块间接口后即可多模块同时开发
  2. 支持动态加载新的内核模块（如：安装设备驱动程序、安装新的文件系统模块到内核），增强OS适应性
  3. 任何模块都可以直接调用其他模块，无需采用消息传递进行通讯，效率高。
• 缺点：
  1. 模块间的接口定义未必合理、实用
     比如初始定义了休眠接口，最后发现实际上设备具有多级休眠的特性，要么绕过这个接口重新定义（破坏封装性，引入非标准私有入口（Private Entry Points）），要么改接口塞入更多的参数（接口表面积膨胀（Interface Surface Bloat），增加认知负担），这就会让接口变得臃肿不堪。
  2. 模块间相互依赖，更难调试和验证
     比如相互调用，当一个模块出了问题，不知道是调用的模块有问题，还是调用后有问题。理论来说，分层结构也是一种模块化思想，但是它严格定义了调用方向，比这里的模块化更好维护。

宏内核、微内核

宏内核：

• 所有的系统功能都放在内核里（宏内核结构的OS通常也采用了“模块化”的设计思想）
• 优点：性能高，内额内部各种功能都可以直接相互调用
• 缺点：
  1. 内核庞大功能复杂，难以维护
  2. 大内核种某个功能块出错，就可能导致整个系统崩溃
     微内核：
• 只把中断、原语、进程通信等最核心的功能放入内核。进程管理、文件管理、设备管理等功能以用户进程的形式运行在用户态。
• 优点：
  1. 内核小功能少，易于维护，内核可靠性高。
  2. 内核外的某个功能模块出错不会导致整个系统崩溃。
• 缺点：
  1. 性能低，需要频繁地切换用户态/核心态。
  2. 用户态下的各功能模块不可以直接相互调用，只能通过内核的“消息传递”来间接通信。

外核

• 内核负责进程调度、进程通信等功能，外核负责为用户进程分配未经抽象的硬件资源，且由外核负责保证资源使用安全（也就是给了你A空间，你就不能用B空间，A空间是你的，别人就不能轻易越界来用A空间）。
  比如：普通操作系统给进程分配的空间是经过抽象的，也就是看起来可能是连续的，实际上可能空间是离散存储的。但是外核分配的是未经抽象的硬件资源，假设进程需要随机访问自己被分配的空间，但是实际上被分配的空间离散程度很高，就可能导致在不同的存储空间，在不同的块中反复横跳，导致效率降低，而分配未经抽象的硬件资源就可以保证分配的空间一定是连续的，避免这个问题。

• 优点：

  1. 外核可直接给用户进程分配“不虚拟、不抽象”的硬件资源，使用户进程可以更灵活地使用硬件资源。
  2. 减少了虚拟硬件资源的“映射层”，提升效率。
     因为抽象的空间要转化为物理的空间需要有一定开销。

• 缺点：

  1. 降低了系统的一致性。
     比如有些程序分配虚拟地址，有些分配物理地址，前者需要翻译，后者不需要，这就违背了一致性，也就会导致后面的系统变复杂。
  2. 使系统变得更复杂。

  本节考试只会考简单的选择题，合理分配时间。