操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、1.2操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 操作系統(tǒng)是一種大型、復(fù)雜的并發(fā)系統(tǒng)，為了研制操作系統(tǒng)，首先必須研究它的結(jié)構(gòu)，力求設(shè)計出結(jié)構(gòu)良好的程序。操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計有兩層含義：一是研究操作系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，由程序的構(gòu)成成分組成操作系統(tǒng)程序的構(gòu)造過程和方法；二是研究操作系統(tǒng)程序的局部結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)。采用不同的構(gòu)件和構(gòu)造方法可組成不同結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)。本節(jié)將在討論操作系統(tǒng)構(gòu)件之后，全面介紹各種操作系統(tǒng)的構(gòu)造方法。 操作系統(tǒng)的組件通常把組成操作系統(tǒng)程序的基本單位稱作操作系統(tǒng)的構(gòu)件。剖析現(xiàn)代操作系統(tǒng)，構(gòu)成操作系統(tǒng)的基本單位除內(nèi)核之外，主要還有進(jìn)程、線程、類程和管程。1內(nèi)核現(xiàn)代操作系統(tǒng)中大都采用了進(jìn)程的概念，為了

2、解決系統(tǒng)的并發(fā)性、共享性和隨機(jī)性，并使進(jìn)程能協(xié)調(diào)地工作，單靠計算機(jī)硬件提供的功能是十分不夠的。例如，進(jìn)程調(diào)度工作目前就不能用硬件來實現(xiàn)；而進(jìn)程自己調(diào)度自己也是困難的。所以，系統(tǒng)必須有一個軟件部分能對硬件處理器及有關(guān)資源進(jìn)行首次改造，以便給進(jìn)程的執(zhí)行提供良好運(yùn)行環(huán)境，這個部分就是操作系統(tǒng)的內(nèi)核。由于操作系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)和環(huán)境不同，內(nèi)核的大小和功能有很大差別。有些設(shè)計希望把內(nèi)核做得盡量小僅具有極少的必需功能，稱為微內(nèi)核（microkernel），其他功能都在核外實現(xiàn)，通過微內(nèi)核提供的消息傳遞機(jī)制完成其余功能模塊間的聯(lián)系；有些設(shè)計則希望內(nèi)核具有較多的功能，雖然其內(nèi)部也可劃分成層次或模塊，但運(yùn)行時是一個

3、大二進(jìn)制映像，模塊間的聯(lián)系可通過函數(shù)或過程調(diào)用實現(xiàn)，稱為單內(nèi)核（monolithic kernel）。操作系統(tǒng)的一個基本問題就是內(nèi)核的功能設(shè)計。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的特征之一，這種方法把內(nèi)核和核外服務(wù)程序的開發(fā)分離，可為特定應(yīng)用程序或運(yùn)行環(huán)境要求定制服務(wù)程序，具有較好的可伸縮性，簡化了實現(xiàn)，提供了靈活性，很適合分布式系統(tǒng)的構(gòu)造。一般而言，內(nèi)核必須提供以下3個方面的功能。（1）中斷處理。中斷處理是內(nèi)核中最基本的功能，也是操作系統(tǒng)賴以活動的基礎(chǔ)，為了縮短屏蔽中斷的時間，增加系統(tǒng)內(nèi)的并發(fā)性，通常它僅僅進(jìn)行有限的、簡短的處理，其余任務(wù)交給在內(nèi)核之外的特殊用戶態(tài)進(jìn)程完成。當(dāng)中斷事件產(chǎn)生時，先由內(nèi)核截

4、獲并轉(zhuǎn)向中斷處理例行程序進(jìn)行原則處理，它分析中斷事件的類型和性質(zhì)，進(jìn)行必要的狀態(tài)修改，然后交給內(nèi)核之外的進(jìn)程去處理。例如，產(chǎn)生外圍設(shè)備結(jié)束中斷事件時，內(nèi)核首先分析是否正常結(jié)束，如果是正常結(jié)束，那么，就應(yīng)釋放等待該外圍傳輸?shù)倪M(jìn)程；否則啟動相應(yīng)設(shè)備管理進(jìn)程進(jìn)行出錯或異常處理。又如當(dāng)操作員請求從控制臺輸入命令時，內(nèi)核將把這一任務(wù)轉(zhuǎn)交給命令管理進(jìn)程去處理，以接收和執(zhí)行命令。（2）短程調(diào)度。主要職能是分配處理器。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生了一個事件之后，可能一個進(jìn)程要讓出處理器，而另一個進(jìn)程又要獲得處理器。短程調(diào)度按照一定的策略管理處理器的轉(zhuǎn)讓，以及完成保護(hù)和恢復(fù)現(xiàn)場的工作。由于它是協(xié)調(diào)進(jìn)程競爭處理器資源的程序，所以

5、它不是進(jìn)程而是內(nèi)核中的一個程序。（3）原語管理。原語是內(nèi)核中實現(xiàn)某一功能的不可中斷過程。為了協(xié)調(diào)進(jìn)程完成通信、并發(fā)執(zhí)行和共享資源，各種原語是必不可少的。通信原語為進(jìn)程相互傳遞消息，同步原語能協(xié)調(diào)并發(fā)進(jìn)程之間的種種制約關(guān)系。此外，還有其他原語，如啟動外圍設(shè)備工作的啟動原語，若啟動不成功則請求啟動者應(yīng)等待，顯然，這個啟動過程應(yīng)該是完整的，否則在成為等待狀態(tài)時，可能外圍設(shè)備已經(jīng)空閑。由于設(shè)備的操作與硬件密切相關(guān)，故通常設(shè)備驅(qū)動程序等功能都放在內(nèi)核中完成。內(nèi)核是操作系統(tǒng)對裸機(jī)的首次改造，內(nèi)核和裸機(jī)組成了一臺虛擬機(jī)，進(jìn)程就在這臺虛擬機(jī)上運(yùn)行，它比裸機(jī)的功能更強(qiáng)大，具有以下特性：（1）虛擬機(jī)沒有中斷，因而

6、，進(jìn)程的設(shè)計者不再需要有硬件中斷的概念，用戶進(jìn)程執(zhí)行中無須處理中斷；（2）虛擬機(jī)為每個進(jìn)程提供了一臺虛擬處理器，每個進(jìn)程就好像在各自的私有處理器上順序地推進(jìn)，實現(xiàn)了多個進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行；（3）虛擬機(jī)為進(jìn)程提供了功能較強(qiáng)的指令系統(tǒng)，即它們能夠使用機(jī)器非特權(quán)指令、系統(tǒng)調(diào)用和原語所組成的新的指令系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)的有效性和靈活性，設(shè)計內(nèi)核應(yīng)遵循少而精的原則。如果內(nèi)核功能過強(qiáng)，則一方面在修改系統(tǒng)時可能牽動內(nèi)核；另一方面它占用的內(nèi)存容量和執(zhí)行時間都會增大，且屏蔽中斷的時間過長也會影響系統(tǒng)效率。因而，設(shè)計內(nèi)核時應(yīng)注意：中斷處理要簡單；調(diào)度算法要有效；原語應(yīng)靈活有力、數(shù)量適當(dāng)。這樣就可以做到下次修改系統(tǒng)時，盡

7、量少改動內(nèi)核，執(zhí)行時中斷屏蔽時間縮短。2進(jìn)程管理程序本身并不能做什么，只有在CPU執(zhí)行它的指令時才能有所作為；因此，可以把進(jìn)程看做是正在運(yùn)行的程序。但是當(dāng)我們進(jìn)一步研究時，對進(jìn)程的定義將更為普遍。例如：一個分時用戶程序（如編譯器）是一個進(jìn)程，個人用戶在PC 上運(yùn)行的字處理程序是一個進(jìn)程，一個系統(tǒng)任務(wù)（如輸出到打印機(jī)）也是一個進(jìn)程，并可以提供允許進(jìn)程創(chuàng)建與其并發(fā)執(zhí)行的子進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用。進(jìn)程需要特定的資源（包括CPU時間、內(nèi)存、文件和I/O設(shè)備）來完成工作。這些資源或者在進(jìn)程創(chuàng)建時分配給它，或者在其運(yùn)行時分配。除了在進(jìn)程創(chuàng)建時所獲得的各種物理資源和邏輯資源以外，各種各樣的初始化數(shù)據(jù)（或輸入）也可能

8、一同傳送給進(jìn)程。例如，考慮一個能夠在終端的顯示屏上顯示一個文件狀態(tài)的進(jìn)程。這個進(jìn)程將獲得包含輸入的文件名，將執(zhí)行相應(yīng)的指令和系統(tǒng)調(diào)用來獲取所期望的信息并顯示在終端上。著重強(qiáng)調(diào)程序本身不是進(jìn)程；程序是靜態(tài)實體（passive entity）（好像是存儲在磁盤中的文件的內(nèi)容），而進(jìn)程是動態(tài)實體（active entity），它用一個程序計數(shù)器來指明要執(zhí)行的下一條指令。進(jìn)程必須要按順序執(zhí)行，CPU執(zhí)行完進(jìn)程的一條指令后再執(zhí)行下一條，直到進(jìn)程結(jié)束。進(jìn)一步地講，一次最多執(zhí)行一條代表該進(jìn)程的指令。這樣，從來就不會出現(xiàn)兩個獨立運(yùn)行的序列。但一個程序在運(yùn)行時創(chuàng)建多個進(jìn)程是非常普遍的。進(jìn)程是并發(fā)程序設(shè)計的一個工

9、具，并發(fā)程序設(shè)計支撐了多道程序設(shè)計，由于進(jìn)程能確切、動態(tài)地刻畫計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的并發(fā)性，更好地解決系統(tǒng)資源的共享性，所以，在操作系統(tǒng)的發(fā)展史上，進(jìn)程概念被較早地引入了系統(tǒng)。它在操作系統(tǒng)的理論研究和設(shè)計實現(xiàn)上均發(fā)揮了重要作用。采用進(jìn)程概念使得操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得清晰，主要表現(xiàn)如下。（1）一個進(jìn)程到另一個進(jìn)程的控制轉(zhuǎn)移由進(jìn)程調(diào)度機(jī)構(gòu)統(tǒng)一管理，不能雜亂無章，隨意進(jìn)行。（2）進(jìn)程之間的交互如信號發(fā)送、消息傳遞和同步互斥等活動由通信及同步機(jī)制完成，從而使進(jìn)程無法有意或無意破壞其他進(jìn)程的數(shù)據(jù)。因此，每個進(jìn)程相對獨立，相互隔離，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。（3）進(jìn)程結(jié)構(gòu)較好地刻畫了系統(tǒng)的并發(fā)性，動態(tài)地描述出系統(tǒng)的

10、執(zhí)行過程，因而具有進(jìn)程結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)清晰、整齊劃一，可維護(hù)性好。3主存儲器管理主存儲器是現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的核心。主存儲器是由字或字節(jié)組成的大型隊列，每個字或字節(jié)都有它自己的地址。主存儲器是CPU 和I/O 設(shè)備共享的大容量快速存儲器。中央處理器在取指令周期中從主存儲器中讀取指令，而且在取數(shù)據(jù)周期中從主存儲器中讀/寫數(shù)據(jù)。通過DMA（動態(tài)內(nèi)存存?。?，I/O操作也實現(xiàn)了對主存儲器的數(shù)據(jù)讀/寫。通常主存儲器是CPU唯一能夠直接尋址和訪問的大容量存儲空間。例如，CPU要處理磁盤中的數(shù)據(jù)，那么 CPU首先發(fā)出I/O調(diào)用將這些數(shù)據(jù)傳送到主存儲器中。同樣，指令必須在存儲器中才能夠由CPU執(zhí)行。必須要

11、把程序映射到絕對地址并載入內(nèi)存中才可以執(zhí)行。在程序運(yùn)行時，它通過產(chǎn)生絕對地址來從內(nèi)存中訪問程序指令和數(shù)據(jù)。最后，程序結(jié)束，釋放所占的內(nèi)存空間，方便下一個程序載入。為了提高CPU利用率和計算機(jī)響應(yīng)速度，必須在內(nèi)存中保留多個程序。有許多不同的內(nèi)存管理策略，而且不同算法的效率取決于具體的環(huán)境。為具體的系統(tǒng)選擇內(nèi)存管理策略要考慮許多因素尤其是系統(tǒng)的硬件設(shè)計。每種算法都需要自己的硬件支持。操作系統(tǒng)要負(fù)責(zé)下列與內(nèi)存管理相關(guān)的工作：跟蹤內(nèi)存使用情況，明確哪一部分正在使用和為誰所用；在內(nèi)存空間有效時決定將哪個進(jìn)程載入內(nèi)存；根據(jù)需要分配和釋放內(nèi)存空間。4文件管理文件管理是操作系統(tǒng)中可視性最強(qiáng)的組件之一。計算機(jī)能

12、夠?qū)?shù)據(jù)存儲在各種類型的物理介質(zhì)上。磁帶、磁盤和光盤是最常用的介質(zhì)。每種介質(zhì)都有自己的特性和物理結(jié)構(gòu)。每個存儲媒體由一個驅(qū)動器控制（如磁盤驅(qū)動器或磁帶驅(qū)動器），這種驅(qū)動器也有自己的獨有特性。這些特性包括訪問速度、容量、數(shù)據(jù)傳輸率和存取方式（順序的或隨機(jī)的）。為了便于使用計算機(jī)系統(tǒng)，操作系統(tǒng)提供了一個計算機(jī)系統(tǒng)的整體邏輯層面。操作系統(tǒng)把存儲設(shè)備的物理屬性抽象定義為一個邏輯存儲單元文件。文件被映像到物理媒介中，通過存儲設(shè)備來訪問這些文件。文件是由其創(chuàng)建者定義的相關(guān)信息的集合。一般的文件表現(xiàn)為程序（源程序和目標(biāo)代碼）和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)文件可能是數(shù)字的、字母的或二者混合的。文件可能是形式自由的（如文本文件）

13、，也可能有嚴(yán)格定義的格式（如固定字段）。由字、字節(jié)、行或記錄組成的文件結(jié)構(gòu)是其創(chuàng)建者定義的。文件概念具有相當(dāng)廣泛的含義。操作系統(tǒng)通過管理大容量存儲體（如由驅(qū)動器控制的磁盤和磁帶）實現(xiàn)了文件的抽象概念。另外，為了更簡易地使用文件，通常將他們組織到目錄中。最后，如果有多個用戶訪問文件，可能需要控制誰以什么樣的方式訪問（例如：讀、寫、追加）。操作系統(tǒng)要負(fù)責(zé)下列與文件管理相關(guān)的工作：創(chuàng)建和刪除文件；創(chuàng)建和刪除目錄；將文件映像到輔助存儲器中；將文件備份到永久（非易失性）存儲體中。5I/O系統(tǒng)管理操作系統(tǒng)的目的之一就是要向用戶隱藏具體的硬件特性。例如，在UNIX 中，通過I/O 子系統(tǒng)向操作系統(tǒng)隱藏了I/

14、O設(shè)備的特性。I/O子系統(tǒng)由以下幾個方面組成：一個內(nèi)存管理模塊，這包括Buffering、Caching 和SPOOLing；一個通用設(shè)備驅(qū)動程序接口；針對具體硬件設(shè)備的驅(qū)動程序。6輔助存儲器管理操作系統(tǒng)的主要目的是執(zhí)行程序。這些程序在運(yùn)行時（以及它們要訪問的數(shù)據(jù)）都必須在主存儲器中。因為主存儲器的容量太小不能存儲所有的程序和數(shù)據(jù)，而且掉電后會丟失所有的存儲信息，所以計算機(jī)系統(tǒng)必須要提供輔助存儲器作為主存儲器的后備。大多數(shù)現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)使用磁盤作為存儲程序和數(shù)據(jù)的主要聯(lián)機(jī)存儲體。大多數(shù)程序（包括編譯程序、匯編程序、排列程序、編輯程序和格式化程序）在載入內(nèi)存之前存儲在磁盤上，并且在運(yùn)行時利用磁盤

15、存儲它們所處理的源文件和目標(biāo)文件。因此，合理的磁盤管理對一個計算機(jī)系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的。操作系統(tǒng)要負(fù)責(zé)下列與輔助存儲器管理相關(guān)的工作：空閑空間管理；空間分配；磁盤調(diào)度。因為頻繁地使用輔助存儲器，所以必須要能夠高效運(yùn)行。而且計算機(jī)的整體運(yùn)行速度取決于磁盤子系統(tǒng)的速度和該子系統(tǒng)實現(xiàn)算法的效率。7網(wǎng)絡(luò)管理分布式系統(tǒng)是一個處理機(jī)的集合，這些處理機(jī)既不共享內(nèi)存和外圍設(shè)備，也不共享時鐘。而是每個處理機(jī)擁有自己的本地內(nèi)存和時鐘，并且這些處理機(jī)可以通過各種通信線路（如高速總線或網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行通信。一個分布式系統(tǒng)中的處理機(jī)在規(guī)模和功能上有所不同，其中可能包括小型微處理器、工作站、小型機(jī)和大型通用計算機(jī)。在（分布式）

16、系統(tǒng)中，處理機(jī)通過通信網(wǎng)絡(luò)相連接，有多種不同的方法可以配置該網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)可以完全或部分地連接。通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必須要考慮報文路由選擇和連接策略，以及爭用和安全的問題。分布式系統(tǒng)將物理上相互獨立的可能不同種類的系統(tǒng)集合成為一個獨立相連的系統(tǒng)，它具有向用戶提供訪問由系統(tǒng)維護(hù)的各種資源的能力。對共享資源的訪問加快了計算速度、增強(qiáng)了系統(tǒng)功能、提高了數(shù)據(jù)的可用性并加強(qiáng)了可靠性。操作系統(tǒng)把網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)包含在了網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備驅(qū)動程序中，于是將網(wǎng)絡(luò)訪問泛化為一種文件訪問的形式。因此，分布式系統(tǒng)所使用的協(xié)議在很大程度上影響到系統(tǒng)的效率和普及。8系統(tǒng)保護(hù)如果一個計算機(jī)系統(tǒng)有多個用戶并允許并行執(zhí)行多個進(jìn)程，那么必須要保護(hù)

17、各個進(jìn)程免受其他進(jìn)程的侵?jǐn)_。為此，需要提供一種機(jī)制來保證只有那些從操作系統(tǒng)獲取了合適權(quán)限的進(jìn)程能夠操作文件、存儲段、CPU和其他資源。例如，內(nèi)存尋址硬件確保了一個進(jìn)程只能在自己的地址空間內(nèi)執(zhí)行，計時器確保進(jìn)程最終能夠放棄對CPU的控制，用戶不能夠訪問設(shè)備控制寄存器；這樣，就保護(hù)了各種外圍設(shè)備的完整性。保護(hù)是操作系統(tǒng)定義的控制程序，是進(jìn)程或用戶訪問的機(jī)制。這個機(jī)制必須要提供一種方法來描述要施加的控制，以及強(qiáng)制執(zhí)行的方法。通過檢測子系統(tǒng)接口中潛伏的錯誤，保護(hù)能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。對接口錯誤的早期檢測常常能夠阻止一個子系統(tǒng)故障波及到其他正常的子系統(tǒng)。一個未受保護(hù)的資源難以防止未授權(quán)或不適當(dāng)?shù)挠脩舻氖?/p>

18、用（或誤用）。一個面向保護(hù)的系統(tǒng)提供了一種區(qū)分授權(quán)的和未授權(quán)的使用方法。9操作系統(tǒng)服務(wù)操作系統(tǒng)提供了程序運(yùn)行的環(huán)境。它為程序和程序用戶提供了特定的服務(wù)。當(dāng)然，不同的操作系統(tǒng)提供的具體服務(wù)不同，但是我們能夠找出其共同部分。提供的這些操作系統(tǒng)服務(wù)是為了便于程序員設(shè)計程序。具體如下。程序執(zhí)行：系統(tǒng)必須能夠?qū)⒊绦蜉d入內(nèi)存并運(yùn)行它。程序必須能夠正常地或異常地（指示錯誤）結(jié)束運(yùn)行。I/O 操作：一個正在運(yùn)行的程序可能要請求I/O 操作。這可能會涉及文件或I/O 設(shè)備。針對具體的設(shè)備，需要特定的功能（如倒卷一個磁帶驅(qū)動器或清空一個CRT屏幕顯示）。出于系統(tǒng)效率和保護(hù)的原因，用戶通常不能夠直接控制I/O 設(shè)備

19、。因此，操作系統(tǒng)必須要提供一種I/O 運(yùn)行機(jī)制。文件系統(tǒng)處理：文件系統(tǒng)相當(dāng)有意思。顯然，程序需要能夠讀寫文件，也要能夠創(chuàng)建和刪除文件。通信：在很多情況下，一個進(jìn)程需要與另外一個進(jìn)程交換信息。通信有兩種主要的方式。第一種方式是在運(yùn)行在同一臺計算機(jī)上的進(jìn)程間通信；另外一種方式是運(yùn)行在由一個計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的不同的計算機(jī)系統(tǒng)上的進(jìn)程間通信。可以通過共享存儲器或報文傳送（這種方式中，操作系統(tǒng)在進(jìn)程之間將信息打包移動）的方式實現(xiàn)進(jìn)程間的通信。錯誤檢測：操作系統(tǒng)需要經(jīng)常注意可能發(fā)生的錯誤。錯誤可能發(fā)生在CPU、內(nèi)存（如存儲錯誤或電源故障）、I/O 設(shè)備（如磁帶奇偶檢驗錯誤、連結(jié)網(wǎng)絡(luò)失敗或打印機(jī)缺紙）及用戶程

20、序（如運(yùn)算溢出、試圖訪問非法存儲器地址或過多占用CPU 時間）中。對于每種類型的錯誤，操作系統(tǒng)應(yīng)該能夠采取針對性措施以確保計算的正確性和相容性。另外，操作系統(tǒng)還存在另外一些功能，它們不是為了幫助用戶工作，而是為了確保系統(tǒng)本身的高效運(yùn)行。如：資源分配：當(dāng)多個用戶登錄到系統(tǒng)中或同時有多個作業(yè)運(yùn)行時，必須要在它們之間分配資源。操作系統(tǒng)管理許多不同類型的資源。有些資源（如CPU 周期、主存儲器和外存儲器）可能有專用的分配代碼，而其他的（如I/O 設(shè)備）可能有更通用的請求和釋放代碼。例如，在決定如何最好地使用CPU 的問題上，操作系統(tǒng)的CPU 調(diào)度程序要考慮CPU 速度、必須要執(zhí)行的作業(yè)、有效的寄存器數(shù)

21、量和其他的一些因素；賬戶管理：我們希望跟蹤記錄每個用戶使用哪些類型的計算機(jī)資源和用了多少。這個記錄保持可能用于記賬（以便用戶付賬）或簡單地用于累加使用率統(tǒng)計。對于研究者來說，使用率統(tǒng)計可能是個有效的工具。利用使用率統(tǒng)計，研究者可以重新配制系統(tǒng)以改善計算服務(wù)；保護(hù)：存儲在多用戶計算機(jī)系統(tǒng)上的信息的所有者希望能夠控制對該信息的使用。當(dāng)多個不相關(guān)的進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行時，一個進(jìn)程不應(yīng)該能夠干擾其他進(jìn)程或操作系統(tǒng)本身。保護(hù)包括了監(jiān)控所有對系統(tǒng)資源的訪問。對來自外界的系統(tǒng)安全檢測（security）也是非常重要的。這種保護(hù)往往通過密碼的方式，用戶向系統(tǒng)驗證口令才能訪問資源。它也包括了保護(hù)外部I/O 設(shè)備（包括調(diào)

22、制解調(diào)器和網(wǎng)絡(luò)適配器）免于非法的訪問企圖和記錄所有這樣的非法闖入。如果一個系統(tǒng)受到保護(hù)并且是安全的，那么就必須要建立預(yù)防措施。一般，系統(tǒng)的安全強(qiáng)度與其最薄弱的一個環(huán)節(jié)密切相關(guān)。 操作系統(tǒng)功能的實現(xiàn)模型操作系統(tǒng)本身是一組程序，像其他程序一樣也在處理器上執(zhí)行，那么，操作系統(tǒng)程序是否組織成進(jìn)程？它是如何控制和怎樣執(zhí)行的呢？下面來討論這個問題。從操作系統(tǒng)的執(zhí)行方式來看，可以把它分成：非進(jìn)程內(nèi)核模型、OS功能（函數(shù)）在用戶進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行的模型和OS功能（函數(shù)）作為獨立進(jìn)程執(zhí)行的模型3種。1非進(jìn)程內(nèi)核模型許多老式操作系統(tǒng)的實現(xiàn)采用非進(jìn)程內(nèi)核模型，即操作系統(tǒng)的功能都不組織成進(jìn)程來實現(xiàn)，如 圖1-2所示，該模型包

23、括一個較大的操作系統(tǒng)內(nèi)核程序，進(jìn)程的執(zhí)行在內(nèi)核之外。當(dāng)中斷發(fā)生時，當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程的上下文現(xiàn)場信息將被保存，并把控制權(quán)傳遞給操作系統(tǒng)內(nèi)核。操作系統(tǒng)具有自己的內(nèi)存區(qū)和系統(tǒng)堆棧區(qū)，用于控制過程調(diào)用和返回。它將在核心態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的操作，并根據(jù)中斷的類型和具體的情況，或者是恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場并讓它繼續(xù)執(zhí)行，或是轉(zhuǎn)向進(jìn)程調(diào)度指派另一個就緒進(jìn)程運(yùn)行。在這種情況下，進(jìn)程的概念僅僅是針對用戶程序而言的，操作系統(tǒng)代碼作為一個獨立實體在內(nèi)核模式下運(yùn)行。2OS功能在用戶進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行的模型小型機(jī)和工作站操作系統(tǒng)（如UNIX等）往往采用OS的所有功能在用戶進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行的模型，如圖1-3所示，在這種實現(xiàn)模型中，大部分操作系統(tǒng)功能組織成一組例行程序供用戶程序調(diào)用，認(rèn)為操作系統(tǒng)例程與用戶進(jìn)程是上下文相關(guān)的，操作系統(tǒng)的地址空間被包含在用戶進(jìn)程的地址空間中；因而，操作系統(tǒng)例行程序也在用戶進(jìn)程的上下文環(huán)境中執(zhí)行。圖1-4給出了OS的所有功能在用戶進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行的模型中的進(jìn)程映像，它既包含進(jìn)程控制塊、用戶堆棧、容納用戶程序和數(shù)據(jù)的地址空間等，還包括操作系統(tǒng)內(nèi)核的程序、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)堆棧區(qū)。當(dāng)發(fā)生一次中斷或系統(tǒng)調(diào)用后，處理器狀態(tài)將被置成內(nèi)核模式，控制從用戶進(jìn)程手中被剝奪并傳遞給操作系統(tǒng)例行程序。此時，發(fā)生了模式切換，模