class 2
class 2: Operating-System Structures¶
1. OS服务¶
一个好的操作系统，需要提供如下服务： - 用户接口（user interface）：需要UI - 可以是命令行式（command-Line：CLI） - 可以是图形界面（graphics user interface：GUI） - 可以是批处理程序（Batch） - 能够完成程序的运行 - I/O管理 - 文件管理 - 不同进程间的交互 - 错误检测 - 资源管理 - 资源使用记录 - 保护与安全
2. 操作系统用户接口¶
命令行 vs 图形界面 - 相比于图形界面，命令行有如下优势： - 与计算机更紧密地连接 - 更适合完成大量重复性工作 - 可以传递更多参数，细化具体工作内容 - pip等一键包安装程序等
3. 系统调用（system calls）¶
相对于系统调用，大多操作系统将某些系统调用的功能封装为了API（application program interface）以方便用户完成相关操作，因此： - system call更底层 - API更高层
典型的API有：Win32 API（Windows），POSIX API（all UNIX, Linux, Mac OS X），Java API（JVM，Java virtual machine）
举个例子，C语言中对文件的操作：fwrite/fread等，都隶属于POSIX API，从而调用system call对文件层面进行操作。
为什么我们更多的使用API，而不是system call?
API会对各种错误、默认的处理进行封装，这样就不必每次使用这些功能时都需要考虑各种情况。
3.1 系统调用的实现¶
每个系统调用都有对应的number，而系统调用的接口会保有一个系统调用与number对应的表。
system call的接口包括在OS核中隐含的具体操作流程，返回值为当前的系统状态以及任何值。
调用system call的人不必清楚system call是如何运作的。
具体的关系如下图（事实上就是两个不同状态间的交互方式）：
3.2 系统调用参数传递¶
传参的方法有如下三种：
- 寄存器：直接将值存到寄存器中，让system call读取它即可（例如lab1中的sbi实现的system call）（但传参的数量和大小有限）
- 块（block）：要把存储在block中的一系列参数传递，那么就将块的地址存在寄存器中传递到系统内（但由于不同状态间的隔离机制，不同的状态使用的地址是不同的，所以需要虚拟的技术来达成这个目的）
- 栈（stack）：通过入栈出栈实现传参（不同mode下的栈不一定共享，需要根据不同的系统机制判断是否能通过共享的栈进行传参）
4. 系统调用的类型¶
system call一般可被分为如下6类： - 进程控制（Process control） - 文件管理（File management） - 设备管理（Device management） - 信息保存（Information maintenance） - 交互（Communications） - 保护（Protection）
具体例子可见下表：
- Unix中，fork()意为：创建子进程
- 注意到，Unix中对文件与外设都利用read()/write()，这是源于Unix的思想就是：Everything is a file，因此处理方式一致。
5. 系统程序（system programs）¶
举例：Solaris 10 dtrace
6. OS设计及实现¶
开发OS本身并不是一个 “解决问题” 的过程。因为并不清楚问题本身是怎样的，只能够尽可能优化OS的性能。
开发OS，首先从定义一些目标/指标等，同时它也受到硬件/系统的环境影响。
考虑策略（policy）和机制（mechanism）： - 策略：what will be done? 具体做什么事 - 机制：how to do it? 定义做事方式
举例：
想让CPU中防止死循环是一种策略；使用计时器保护的手段就是一种机制。
讨论这个问题的目的是让policy和mechanism解耦，例如对于同一个问题是确定的，但mechanism是可变的，它的变化并不影响最终policy的结果。
再举例：对一个系统的policy：X协议
7. 操作系统结构¶
7.1 主流内核¶
MS-DOS: 在最简洁的空间下实现尽可能多的功能。
操作系统的结构是分层的；layer 0为硬件，最高层为用户接口。
例如：UNIX系统的架构：
像UNIX系统这样，内核：
- 包含所有在system-call接口下的东西
- 提供基本所有OS的功能
这样的内核为**宏内核**（Monolithic structure）
而像某些系统，内核：
- 某个内核只负责某个特定的功能（例如仅负责文件管理）
这样的内核为**微内核**（Microkernel System structure）
宏内核利于数据的传输（直接传输即可，而微内核需要考虑不同模式下不同模块间的数据传输）；微内核利于延展开发、代码量小、可靠性、安全性等。
而Mac OS X或iOS系统将宏内核和微内核整合起来使用，这样的系统为“杂交系统”（hybrid structure）（也叫Darwin系统）
- 事实上，结合的本质在于将宏内核BSD和微内核Mach结合起来使用
7.2 分层方式¶
操作系统的分层结构（layered approach），通过逐层封装的方式将操作系统分作不同层，不同层之间通过接口来通信。
但同时也导致:
- layer之间只能一层一层传递信息，而不能做到任意两个层之间都能够直接通信。
- 如何分层，在哪里分层是难以界定的。
从另一种方式，通过module的分级方法能够将不同的功能进行封装，与layer的结构相似，但更加灵活。
7.3 其他结构¶
Exokernel：外部内核，高度简化kernel，只负责某一部分的操作，但深入低级的硬件操作。代价是必须通过定制library来供应用使用，难度大，兼容性差。
Exokernel实质相当于实现了宏内核原理的微内核。
Unikernel：打包整个OS系统为一段线性的代码，直接通过运行这段“进程”即可，因此实用性高，对云服务器快速启动等有较好的效果。
8. 虚拟机¶
虚拟机（virtual matchine）的原理，就是将硬件等资源也写成软件，通过这种方式实现运行不同操作系统内核的需求。这种虚拟叫做全虚拟化。
实现虚拟机主要需要如下系统：
效果图如下：
对不同虚拟机，需要一个Hypervisor进行管理。