Linux操作系统：如何理解操作系统的结构设计？

这个知识点介绍了操作系统的四种结构，即整体结构、层次结构、虚拟机结构和客户机-服务器结构。你要清楚地知道，这四种结构是什么？目前典型的操作系统都采用的是什么结构。你还需要了解一下UNIX和 Linux系统的核心结构。

（一）整体结构

早期的操作系统多数都采用这种体系结构。这种体系结构其实是没有结构的，各组成单位密切联系，好似“铁板一块”，顾名整体结构。

如图1-7所示，整体结构的操作系统中各个模块之间直接调用，不分层次。优点是耦合紧密，运行的效率高；缺点是系统的结构关系不清晰，难于进行扩充和修改，会“牵一发而动全身”，使得系统的可靠性降低，模块间会出现循环调用，这有很大危险性。

模块调用示意图

（二）层次结构

层次结构操作系统的设计思想是：按照操作系统各模块的功能和相互依存关系，把系统中的模块分为若干层，其中任一层模块（除底层模块外）都建立在它下面一层的基础上。因而，任一层模块只能调用它下层中的模块，而不能调用高层的模块。

第一个按这种方式构造的操作系统是THE系统，1968年由E.W.Dijkstra和他的学生们建造的。它是一个简单的批处理系统，有6层，如图所示

THE操作系统的层次结构

现在实际使用的操作系统多数都采用层次结构，如著名的UNIX系统的核心层就采用层次结构。层次结构既具有上述整体系统的长处，又有结构关系清晰，系统的可靠性、可移植性和可维护性强等优点。

但是，一个操作系统应划分多少层、各层处于什么位置、相互间如何联系等并无固定的模式，在实际设计上这有很多困难。一般原则是：接近用户应用的模块在上层，贴近硬件的驱动程序模块在下层。处于下层的程序模块也称作操作系统的内核，这一部分模块包括中断处理程序、各种常用设备的驱动程序、以及运行频率较高的模块（如时钟管理程序、进程调度和低级通信模块以及被许多模块公用的程序、内存管理程序）等。为了提高操作系统的执行效率和便于实施特殊保护，它们一般常驻内存。

（三）虚拟机结构

操作系统的虚拟机结构是以一个操作系统作为底层基本平台，称为“主OS”。在它上面安装并运行虚拟机软件，将本地主机上的硬盘和内存划分出一部分或几部分，虚拟成若干台机器，每台机器可以运行单独的操作系统而互不干扰，从而在同一台裸机上可以同时运行多个操作系统。这些“新”机器各自拥有自己独立的CMOS，硬盘和操作系统（通常称为“客OS”），你可以像使用普通机器一样对它们进行分区、格式化、安装系统和应用软件等操作，还可以将这几个操作系统联成一个网络。

IBM的VM/370系统是虚拟机结构的一个典型实例，如图1-9所示。其核心部分是虚拟机监督程序（VMM），它运行在裸机上，并形成多道程序环境——它对上一层提供多台虚拟机。这些虚拟机仅仅是裸机硬件的复制品，包括核心态/用户态，I/O机构、中断以及实际机器所具有的其他成分。当然，这些虚拟机是通过共享物理机器资源来实现的。

带CMS的VM/370结构

由于每台虚拟机在功能上就等同于一台实际的裸机，VM/370从效果上就呈现出多台裸机。这样，不同的虚拟机上往往运行不同的操作系统，有的运行批处理或事务处理系统，而另外的运行单用户、交互式系统（即CMS），供分时用户交互使用。这样，不需要重新启动计算机，就可以同时运行多个操作系统。

采用虚拟机的优点是：

缺点是：对硬件的要求比较高，主要是CPU，硬盘和内存。虽然虚拟机结构简化了系统，但它本身仍非常复杂，因为要模拟许多机器实体并不是一件简单的工作。另外，执行任务时的速度会受到一些影响。

目前常见的虚拟机有四种：VMware Workstation、Microsoft Virtual_PC、Windows Server 2008 R2/Windows 8 Hyper-V和VirtualBox。

（四）客户机-服务器结构

现代操作系统有一种发展趋势，就是把实现扩展机器功能的这部分代码向上移入更高层次中，从而尽可能地使操作系统保持最小的核心，因而称作微内核（如Mach操作系统）。采用这种方法构造操作系统通常是把所有非本质成分从核心移出，而以用户进程的身份实现它们的功能。用户进程（也称客户进程）为了请求一个服务（如读取一个文件块），要向服务器进程发送请求，后者接收该请求，进行工作，然后发回结果。

客户-服务器系统模型

客户机-服务器结构的优点是：

1．UNIX系统

UNIX是当代最著名的多用户、多进程、多任务分时操作系统。

UNIX的前身是MULTICS操作系统。MULTICS是在1968-1969年间由MIT， AT&T和GE等众多单位联合开发的大型、多用户分时系统，美国AT&T公司Bell实验室的Ken Thompson 与Dennis Ritchie也参加了该项目的开发工作。在1970年， Ken Thompson用汇编语言在PDP-7计算机上设计了一个小型的操作系统，取名为UNIX。1971年，Dennis Ritchie开发了C语言，并在1973年用C语言重写了UNIX，这就成为今日UNIX的最初蓝本。

UNIX的主要特点有：可移植性好，在微机工作站、小型机到大型机上都能运行；有良好的用户界面，包括系统调用、shell命令和图形用户界面；树形分级结构的文件系统；字符流式文件；丰富的核外系统程序，提供了相当完备的程序设计环境；设计思想先进，核心精干；提供了管道机制；提供电子邮件和对网络通信的有力支持，是Internet网上服务器级的主流操作系统；系统安全，可靠性高。

UNIX族系演变过程

UNIX系统可分为三层：靠近硬件的底层是内核，即UNIX操作系统常驻内存部分；核心外的中间层是shell层；最高层是应用层。内核是UNIX操作系统的主要部分，它实现进程管理、存储管理、文件系统和设备管理等功能，从而为核外的所有程序提供运行环境。

UNIX S_5（即system V）的核心结构如图所示。可以看出，UNIX核心基本上采用层次结构。它可视为左、右两大部分。左边是文件系统部分，右边是进程控制系统部分。文件系统部分涉及操作系统中各种信息的保存，通常都是以文件形式存放的，它相当于核心的“静态”部分。进程控制系统部分涉及操作系统中各种活动的调度和管理，通常以进程形式展现其生命活力，它相当于核心的“动态”部分。两部分存在密切联系。

UNIX S_5的核心结构图

2．Linux系统

在20世纪80年代，Andrew S. Tanenbaum教授为了满足教学的需要，自行设计了一个微型UNIX操作系统——MINIX。在此基础上，1991年，芬兰赫尔辛基大学的学生Linus Torvalds开发了Linux核心，并利用Internet发布了源代码，从而创建了Linux操作系统。之后unix系统设计，许多系统软件设计专家共同对它进行改进和提高。到现在为止，Linux已成为具有全部UNIX特征、与POSIX（可移植操作系统界面）兼容的操作系统。近年来，Linux在国际上发展迅速，并且得到包括IBM，COMPAQ，HP，Oracle，Sybase，Informix等许多软硬件公司的支持。它们提供技术支持，开发Linux的应用软件，将Linux系统的应用推向各个领域，并为它进入大型企业Intranet的应用领域奠定了基础。

有人曾说过，当今真正能与Windows匹敌的系统是Linux。Linux系统的功能强大而全面，与其他操作系统相比，具有一系列显著特点，包括：

（1）与UNIX兼容。所有UNIX的主要功能都有相应的Linux工具和实用程序。Linux实际上就是一个完整的UNIX类操作系统。

（2）自由软件，源码公开。Linux的许多重要组成部分直接来自自由软件项目。其源码是公开的，任何人只要遵守GPL（通用公共许可证）条款，就可以自由使用Linux源程序。

（3）性能高，安全性强。在相同的硬件环境下，Linux可以像其他著名的操作系统那样运行，提供各种高性能的服务，可以作为中小型ISP或Web服务器工作平台。

（4）便于定制和再开发。在遵从GPL版权协议的条件下，各部门、企业、单位或个人可根据自己的实际需要和使用环境对Linux系统进行裁剪、扩充、修改或者再开发。

（5）互操作性高。Linux操作系统能够以不同的方式实现与非Linux系统的不同层次的互操作，如Linux可以为基于MS DOS，Windows及其他UNIX的系统提供文件存储、打印机、终端、后备服务及关键性业务应用等。

（6）全面的多任务和真正的32位操作系统。Linux和其他UNIX系统一样，是真正的多任务系统，它允许多个用户同时在一个系统上运行多道程序。Linux支持多种硬件平台。

从结构上看，Linux操作系统是采用整体结构的操作系统，即所有的内核系统功能都包含在一个大型的内核软件之中。当然，Linux系统也支持可动态装载和卸载的模块结构。利用这些模块，可以方便地在内核中添加新的组件或卸载不再需要的内核组件。Linux系统内核结构框图如图所示。

Linux系统内核结构框图

常见的国内外Linux发行版本有以下几种：Red Hat、Turbo Linux、Slackware、Open Linux、SuSE Linux、Debian、红旗Linux、中软Linux等。

（编辑：天瑞地安资讯网）

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