Operating-System Structures

User-Oriented Services#

从用户角度需要提供的服务：

User interface : CLI, GUI

Program execution : 能够跑第三方的应用程序。

I/O operations : 插 U 盘，读写文件。

File-system manipulation : 创建、删除、读写文件，创建目录。

Communication : 进程间通信，网络通信。

Error detection : 检测硬件错误，软件错误。

I/O 关注数据输入输出，文件系统操作还关注文件的命名、组织、属性与权限。 一次读取 U 盘文件可以同时涉及两类服务。

通信的两种基本方式是共享内存（Shared Memory）和消息传递（Message Passing）：前者让进程访问共同的内存区域，后者通过发送和接收消息交换信息。

错误检测之后，系统可能返回错误状态、终止出错进程，严重时也可能停止系统。

Command-Line Interface and Shell#

命令行接口（Command-Line Interface，CLI） 允许用户直接输入命令。命令解释器负责读取、解释并执行命令；不同的命令解释器通常称为不同的 Shell。

1
读取用户命令 → 确定命令及参数 → 执行相应操作 → 继续接收命令

命令解释器可以实现在内核中，也可以作为系统程序实现。

命令主要有两种实现方式：

GUI and Batch Processing#

图形用户界面（Graphical User Interface，GUI） 以桌面、窗口、图标和菜单等形式组织交互。

同一个操作系统可以同时提供 CLI 和 GUI。

用户接口描述的是用户怎样表达请求。后面的系统调用接口描述的是程序怎样请求操作系统服务。

System Call Interface#

系统调用（System Call） 是程序使用操作系统服务的编程接口，例如请求文件读写、创建进程或建立通信。

应用开发通常先使用应用程序编程接口（Application Programming Interface，API），再由库或运行时组织相应系统调用。

System Call Declarations#

1
#include <sys/socket.h>
2

3
int socket(int socket_family, int socket_type, int protocol);
4
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
5
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
6
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

这些是函数声明：给出函数名、参数和返回类型，并没有在头文件中展开内核的全部实现。

Example#

复制一个文件需要哪些系统调用？

假设程序需要获取源文件名和目标文件名，然后把源文件内容复制到目标文件。

1
输出提示，读取源文件名和目标文件名
2
            ↓
3
打开源文件
4
  └─ 文件不存在或无访问权限：报告错误，结束
5
            ↓
6
创建并打开目标文件
7
  └─ 目标已存在：本例选择报告错误并结束
8
            ↓
9
循环读取一批数据
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  ├─ 读到数据：将本次实际读到的数据写入目标文件，继续
11
  ├─ 到达文件末尾：完成复制
12
  └─ 读取或写入出错：报告失败，进行清理
13
            ↓
14
关闭两个文件
15
            ↓
16
输出完成信息，正常结束

Example#

读懂 ReadFile() 的参数

1
BOOL ReadFile(
2
    HANDLE file,
3
    LPVOID buffer,
4
    DWORD bytesToRead,
5
    LPDWORD bytesRead,
6
    LPOVERLAPPED ovl
7
);

返回状态、实际读到的字节数、读到的数据，分别通过不同位置交给调用者。 不应把布尔返回值当成字节数，也不应把 bytesRead 当成数据缓冲区。

System Call Numbers and Dispatch#

程序发起系统调用时，操作系统需要知道：请求哪一种服务，以及用什么参数完成它。

操作系统会维护一张表，里面存放 number 和指针，指针指向处理这个 system call 的代码。

1
用户程序调用 API
2
        ↓
3
库／运行时准备系统调用编号与参数
4
        ↓
5
通过受控入口进入内核
6
        ↓
7
系统调用接口根据编号查表
8
        ↓
9
执行对应服务，得到状态与返回值
10
        ↓
11
返回用户程序，继续执行

调用者不需要知道内核处理函数的全部实现，但必须遵守接口约定：传入正确参数，理解操作含义，并检查返回结果。

Example#

printf() 怎样使用 write()？

1
用户程序：printf("Greetings")
2
                 ↓
3
标准 C 库：处理格式与输出流
4
                 ↓ 需要向外输出时
5
系统调用接口：请求 write()
6
                 ↓
7
内核：完成相应输出服务
8
                 ↓
9
结果返回库函数与用户程序

C 语言的 Printf 对应到 system call 的 write 要对应到像素级别的操作。所以每一个简单操作都有可能需要多个 system call 来完成。

Parameter Passing#

参数传递方法。

内存参数块与栈缓解了寄存器限制，仍受内存大小、地址有效性及接口约定约束，不能理解为参数真正无限。

Example#

通过地址 X 传递一组参数

展开分析：系统调用编号与参数表地址分别解决什么问题？

假设用户程序已在内存位置 X 保存好某次调用需要的参数。

1
用户程序在内存中准备参数表 X
2
               ↓
3
把 X 的地址放入约定的寄存器
4
               ↓
5
发起图中示例的系统调用 13
6
               ↓
7
内核根据编号 13 找到处理代码
8
               ↓
9
处理代码根据地址 X 取得本次参数

调用编号说明“请求什么服务”，地址 X 说明“这次调用的参数在哪里”。 两者作用不同。寄存器只携带表的地址，无需装下表中的每一项。

其中，13 是图中的示意编号，X 是示意地址；具体接口还必须约定参数布局与访问方式。

System Call Categories#

现在目前大概有200多个 system call 支持操作系统的全部功能，操作系统也有其他的手段，比如发送信号，来实现一些功能。

Communication Models#

共享内存建立后，进程还要协调谁在什么时候读写，避免不当的并发更新。获得共享区域，与正确使用共享数据，是两个需要分别解决的问题。

Example#

MS-DOS 与 FreeBSD 的进程控制

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Shell 接收运行某程序的命令
2
             ↓
3
fork()：建立子进程
4
             ↓
5
子进程通过 exec() 装入并执行目标程序
6
             ↓
7
父进程 Shell 根据前台／后台方式组织后续执行
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  ├─ 前台：等待程序结束，再继续处理下一条命令
9
  └─ 后台：继续接收命令，目标程序也参与系统调度
10
             ↓
11
目标进程结束，返回退出状态

Program Development and Execution#

系统程序（System Programs） 把基础服务组织成便于使用的工具，为程序开发、执行和系统管理提供环境。部分工具只是系统调用的简单用户接口，另一些则包含复杂逻辑。

文件管理 侧重文件对象及目录组织；文件修改 侧重文件内部的内容。状态工具通常还会把取得的数据整理、格式化后显示出来；一些系统通过 注册表（Registry） 存储和检索配置。

Example#

用 DTrace 观察系统调用路径

1
XEventsQueued             U
2
  ……
3
  -> ioctl                U
4
    -> ioctl              K
5
      -> getf             K
6
        ……
7
      <- getf             K
8
      ……
9
    <- ioctl              K
10
  <- ioctl                U
11
  ……

Design Goals and Constraints#

Separation of Mechanism and Policy#

机制（Mechanism） 决定怎样完成操作；策略（Policy） 决定要采用什么选择。

机制提供可用能力，策略利用这些能力作出选择。将二者分离后，修改策略时可以尽量复用已有机制，提高系统灵活性。

优先级：同一套优先级机制，可以支持“I/O 密集型程序优先”，也可以支持“CPU 密集型程序优先”。选择哪一类优先，属于策略。

Example#

门禁卡系统中的机制与策略

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读卡器读取卡片信息
2
        ↓
3
安全服务器依据“人、门、时间”等信息查询规则
4
        ↓
5
得到允许／拒绝的决定
6
        ↓
7
通过门锁控制机制执行决定

X Window System Design Principles#

X 窗口系统（X Window System） 七条原则可以归纳如下。

这些原则共同强调：基础系统保持清晰的职责和通用能力，具体选择尽量留在可以变化的位置。

Simple Structure: MS-DOS#

MS-DOS 的设计目标是在很小的空间内提供尽可能多的功能。它没有清晰的模块划分，各层功能与接口之间也缺少良好分离。

应用程序 ：使用系统和底层设备提供的功能 常驻系统程序 ：提供系统运行所需的基本服务 MS-DOS 设备驱动 ：与具体设备交互 ROM BIOS 设备服务 ： 固件中的基本输入输出能力

箭头允许跨过中间部分直接访问底层。因此，没有实现严格的层间边界。

Layered Approach#

分层结构（Layered Approach） 把系统划分成若干层。

最低层 layer 0 是硬件，最高层 layer N 是用户接口；每层使用较低层提供的操作与服务。

一层可以看成“数据结构＋操作这些数据的函数”。它对上提供接口，并隐藏内部实现。

1
用户接口                         第 N 层
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    ↓ 使用下层提供的服务
3
……
4
    ↓
5
较底层的服务与设备访问
6
    ↓
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硬件                             第 0 层

便于分工开发 ：先约定接口，不同层的实现可相对独立推进 便于理解与维护 ：使用下层服务时，不必了解全部实现细节 便于调试与验证 ：可以从最底层开始，逐层检查

分层代价： 首先，层次不一定容易划分：内存、进程、文件等功能可能互相依赖。 其次，一个请求经过多个中间层，会增加接口处理、数据传递等开销。

Monolithic Structure: Traditional UNIX#

单体内核（Monolithic Kernel，也称宏内核） 将大量内核功能放在同一内核地址空间中实现。 传统 UNIX 分为两大部分：系统程序与内核。

图中系统调用接口以下、物理硬件以上的区域属于内核，包含文件系统、CPU 调度、内存管理、终端处理和设备驱动等功能。

Linux 既具有单体内核的特点，也支持可加载模块。

Microkernel System Structure#

微内核（Microkernel） 尽量缩小内核中的功能集合，将其他服务放入用户空间，并通过消息传递协作。

1
用户态应用提出文件请求
2
          ↓ 消息
3
微内核提供通信机制
4
          ↓
5
用户态文件服务处理请求
6
          ↓ 消息回复
7
应用取得结果

Modules#

可加载内核模块（Loadable Kernel Module） 将内核的一部分功能组织成独立组件，按需要在启动时或运行期间加载。各组件通过已定义的接口协作。

这具有面向对象思想：核心组件各自封装功能，通过接口联系。

Solaris Modular Approach#

图中核心 Solaris 内核周围包含：调度类、文件系统、可加载系统调用、可执行文件格式、STREAMS 模块、其他模块，以及设备与总线驱动。

Mac OS X Structure#

混合结构（Hybrid Structure） 结合不同组织方式，在性能、功能、可维护性和隔离之间进行取舍。

上部是应用环境与公共服务，下部的内核环境结合 Mach 与 BSD。 Mach 提供调度、内存和通信等基础能力，BSD 提供相应 UNIX/POSIX 功能；为了减少跨地址空间的开销，相关内核组成部分被结合到同一地址空间中。

Comparison of Operating-System Structures#

这些分类并非全部互斥。 例如，单体内核可以具有模块化设计；一个系统也可以局部采用分层，在其他部分使用不同组织方式。

Virtual Machine Abstraction#

虚拟机（Virtual Machine，VM） 把一台物理计算机的硬件能力抽象成多个执行环境。每个环境可运行自己的操作系统，使其中的程序看到独立的处理器、内存和设备视图。

虚拟机监控器（Virtual Machine Monitor，VMM，也称 Hypervisor） 负责建立、运行和管理这些虚拟机，并协调它们对真实资源的使用。

左图是一套内核管理多个进程；右图在物理硬件之上加入虚拟化实现，每个虚拟机拥有自己的内核和进程。

分时系统为进程提供执行机会，系统虚拟机进一步提供可供客户操作系统使用的机器环境。

How the Illusion of a Dedicated Machine Is Created#

虚拟化的基本思想：

这些虚拟资源最终仍需映射到物理资源。逻辑上独立，物理硬件数量不增加。

VMware Architecture#

上面运行虚拟化层，再运行 FreeBSD、Windows NT、Windows XP 等客户系统。每个客户系统有自己的虚拟 CPU、虚拟内存和虚拟设备；宿主系统也可以直接运行本地应用。

Example#

用户看到的是分配给虚拟环境的资源配置，背后可能与其他虚拟机共享同一物理服务器。

Isolation, Development, Testing, and Sharing#

虚拟化系统还可以提供暂停、快照、克隆等功能，使测试前保存状态、失败后恢复更加方便。

Why Virtual Machines Are Difficult to Implement#

客户系统既要看到类似真实硬件的接口，又不能不受限制地控制整台物理机器。 虚拟用户态与虚拟内核态也要得到正确处理。

VM vs Docker#

容器（Container） 为应用及其依赖提供相对独立的运行环境。 系统虚拟机通常各有客户内核；图中的多个容器共享运行它们的宿主内核。

1
项目 A → 环境 A → A 所需的软件、库、配置
2
项目 B → 环境 B → B 所需的软件、库、配置

1
macOS → Linux 虚拟机 → Docker Engine → 多个 Linux 容器

The Java Virtual Machine#

Java 虚拟机（Java Virtual Machine，JVM） 提供的是程序语言的执行环境。它接受 Java 字节码，并由对应平台上的实现完成执行。

1
Java 源程序
2
     ↓ javac 编译
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字节码 .class 文件
4
     ↓ 类加载与执行
5
对应平台上的 JVM
6
     ↓
7
宿主操作系统与硬件

图中，类加载器（Class Loader） 装入程序和 Java API 的 .class 文件，再交给执行部分处理，没有直接产生特定 CPU 的本地机器码。不同平台具有对应的 JVM 实现，字节码与统一接口使程序不必直接处理全部平台差异。

Distinguishing Different Virtual Environments#

Configuring the System for Specific Hardware#

系统生成（System Generation，SYSGEN） 关注怎样使一套操作系统适合具体机器。操作系统可能面向一类机器设计，但实际机器的设备与配置各不相同，需要取得相应硬件信息并选择功能。

1
取得或编写操作系统代码
2
          ↓
3
根据目标硬件与需求进行配置
4
          ↓
5
生成相应系统：编译或选择、链接模块等
6
          ↓
7
安装到可供启动的存储环境
8
          ↓
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启动系统

SYSGEN 表示配置与生成系统的概念；

Three Operating-System Generation Approaches#

系统生成决定系统包含什么、怎样适应机器；系统启动决定机器如何找到并开始执行它。

Where the Initial Boot Code Comes From#

计算机刚上电时，操作系统还没有运行，因此不能依赖已经存在的操作系统服务来装入自己。

引导程序（Bootstrap Program／Boot Loader） 负责找到内核、把它装入内存，并开始执行。

上电后执行从硬件规定的位置开始，初始启动代码保存在固件（Firmware） 中。

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上电或复位
2
    ↓
3
从规定入口执行固件中的初始代码
4
    ↓
5
初始化必要状态，找到后续引导代码
6
    ↓
7
找到内核映像，装入内存
8
    ↓
9
开始执行内核
10
    ↓
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内核继续初始化、建立文件系统与服务环境

Multistage Boot Process#

一种分阶段方式：位于固定存储位置的引导块（Boot Block） 先装入更完整的引导程序，再由它装入内核。

初始代码空间有限，因此可以逐步装入功能更完整的后续代码。

Two Control Planes in the AI Era#

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传统系统：应用 → API／系统调用 → 内核 → 硬件
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智能体系统：用户意图
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              ↓
5
           LLM／智能体：理解目标并规划行动
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              ↓
7
           应用、工具、API
8
              ↓
9
           内核：管理资源并执行受保护操作
10
              ↓
11
           硬件