---

前言

• 在上一篇博客中，我們詳細探討了操作系統的特性、運行環境與核心功能。
• 了解這些知識后，我們對操作系統如何協調硬件資源與軟件程序的交互有了更深入的認識。
• 本篇博客將繼續深入操作系統的世界，聚焦于操作系統的結構與系統調用這兩個重要方面。
• 通過學習這些內容，你會對操作系統的內部運作有更清晰的理解，為后續深入學習操作系統的其他知識打下堅實基礎。

我的個人主頁，歡迎來閱讀我的其他文章
https://blog.csdn.net/2402_83322742?spm=1011.2415.3001.5343
我的操作系統博客專欄
https://blog.csdn.net/2402_83322742/category_12916780.html?spm=1001.2014.3001.5482

---

一、操作系統的結構

1.1 簡單結構

• 簡單結構的操作系統就像是一個“大雜燴”，它沒有清晰的結構劃分，所有功能都混合在一起。
• 早期的操作系統常采用這種結構，開發起來比較簡單直接，代碼也相對較少。
• 但是，隨著系統功能不斷增加，這種結構的缺點就暴露出來了。

由于代碼之間的關系不清晰，修改和維護非常困難，一個小的改動可能會影響到系統的其他部分，就像在一團亂麻里找線頭，牽一發而動全身。

• 比如，早期的一些小型操作系統，為了實現基本的文件管理和進程調度功能，代碼可能寫得很隨意，后期想要優化或者添加新功能，難度極大。
  

1.2 模塊化結構

• 為了解決簡單結構的問題，模塊化結構應運而生。
• 它把操作系統劃分為一個個獨立的模塊，每個模塊負責特定的功能，就好比把一個大工廠分成了不同的車間，每個車間各司其職。
• 這樣做的好處是，模塊之間的獨立性很強，方便開發和維護。如果某個模塊出現問題，只需要修改這個模塊就行，不會影響其他模塊。
• 例如，在一個模塊化結構的操作系統中，文件管理模塊和進程管理模塊是分開的，當需要優化文件管理功能時，只需要專注于文件管理模塊的代碼，不用擔心對進程管理模塊造成影響。
• 不同模塊之間通過接口進行通信，這種方式使得操作系統的結構更加清晰。

模塊名稱	主要功能	與其他模塊接口舉例
文件管理模塊	負責文件的存儲、讀取、刪除等操作	提供文件打開、關閉、讀寫等函數接口給其他模塊調用
進程管理模塊	管理進程的創建、銷毀、調度等	使用文件管理模塊的接口來讀取進程相關的配置文件

1.3 分層化結構

• 分層化結構則是將操作系統按照功能的層次關系進行劃分，形成一個層次分明的結構，有點像蓋房子，一層一層往上蓋，每一層都依賴于下面的層，同時為上面的層提供服務。

最底層通常是硬件相關的功能，越往上功能越高級。這種結構的優點是層次清晰，易于理解和擴展。

• 當需要添加新功能時，可以在合適的層次添加，不會影響到其他層次。
• 比如，在一個具有分層結構的操作系統中，最底層是硬件驅動層，負責與硬件設備進行交互；中間層是內存管理和進程調度層；

最上層是用戶接口層。當需要優化內存管理功能時，只需要在內存管理這一層進行修改，不會影響到硬件驅動層和用戶接口層。

層次名稱	功能描述	對上一層提供的服務	依賴的下層服務
硬件驅動層	與硬件設備交互，控制硬件工作	提供硬件訪問接口，如磁盤讀寫接口	直接操作硬件
內存管理層	管理內存的分配、回收等	提供內存分配和釋放函數	調用硬件驅動層的內存訪問接口
進程調度層	調度進程執行	根據進程狀態進行調度	依賴內存管理層分配內存給進程
用戶接口層	提供用戶與操作系統交互的界面	接收用戶輸入并返回處理結果	調用進程調度層執行用戶請求

1.4 微內核結構

• 微內核結構是一種比較先進的操作系統結構。
• 它把操作系統的核心功能盡量簡化，只保留一些最基本、最關鍵的功能在微內核中，
• • 比如進程管理、內存管理的基本部分和通信機制等。而其他功能則以服務器的形式運行在用戶空間，通過微內核提供的接口進行交互。

這就好比一個公司，核心管理層只負責最重要的決策，其他具體業務交給各個部門去做。微內核結構的優點是系統的擴展性和靈活性非常強，當需要添加新功能或者修改某個功能時，只需要在相應的服務器中進行調整，不需要修改微內核本身。

同時，由于微內核很小，安全性也相對較高。例如，在一些嵌入式操作系統中，微內核結構能夠很好地適應不同的硬件環境，方便開發者根據需求定制系統功能。

1.5 外核結構

• 外核結構與前面幾種結構有所不同，它的設計理念是將硬件資源以一種更靈活的方式呈現給上層軟件。
• 外核并不像傳統操作系統那樣對硬件資源進行過多的管理和抽象，而是讓上層軟件根據自己的需求去直接管理硬件資源。
• 這就好比把一間毛坯房交給住戶，住戶可以按照自己的想法去裝修和布置。外核結構適用于一些對性能要求極高、對資源管理有特殊需求的場景，比如高性能計算領域。
• 在這種結構下，上層軟件可以根據具體的應用場景，優化對硬件資源的利用，提高系統的整體性能。

二、系統調用

1.1 系統調用的基本概念

• 系統調用是操作系統提供給應用程序的接口，它就像是一扇通往操作系統內部功能的大門。
• 應用程序通過系統調用請求操作系統提供服務，比如讀取文件、創建進程等。為什么應用程序不能直接訪問硬件資源呢？

• 這是因為操作系統需要對硬件資源進行統一管理，保證系統的穩定性和安全性。如果每個應用程序都可以隨意訪問硬件，那么系統很容易出現混亂。

當應用程序發起系統調用時，CPU會從用戶態切換到內核態，然后操作系統根據系統調用的類型執行相應的操作。

• 操作完成后，再把結果返回給應用程序，CPU又從內核態切換回用戶態。
• 例如，當你在一個文本編輯軟件中保存文件時，軟件會調用操作系統的文件保存系統調用，操作系統接收到這個請求后，會在磁盤上找到合適的位置存儲文件內容，最后把保存成功或者失敗的信息返回給文本編輯軟件。

1.2 系統調用的類型

系統調用的類型有很多，常見的包括以下幾類：

系統調用類型	功能描述	舉例
進程管理	創建、銷毀進程，進程調度等	fork()函數用于創建一個新進程
文件管理	文件的打開、關閉、讀寫、刪除等	open()函數用于打開一個文件，read()函數用于讀取文件內容
內存管理	內存的分配、回收等	malloc()函數用于在堆內存中分配指定大小的內存空間
設備管理	對硬件設備的控制和操作	write()函數用于向設備（如打印機）輸出數據
信息維護	獲取和設置系統信息，如時間、日期等	time()函數用于獲取當前系統時間

這些系統調用為應用程序提供了豐富的功能支持，使得開發者可以專注于應用程序的業務邏輯，而不用過多地關注底層硬件的細節。

總結（核心概念速記）：

核心概念速記
操作系統結構與系統調用 = 多樣結構演進 + 豐富調用體系 + 性能與應用關聯

• 操作系統結構演進：
  • 簡單結構（早期“大雜燴”）→ 模塊化結構（功能分模塊）→ 分層化結構（功能分層）→ 微內核結構（核心精簡）→ 外核結構（靈活資源管理）。
  • 簡單結構易開發難維護，微內核結構擴展性與安全性高，外核結構適合高性能場景。
• 系統調用體系：
  • 系統調用是應用與系統交互接口，CPU在用戶態與內核態切換完成調用。
  • 常見調用類型：進程管理（fork()）、文件管理（open()、read()）、內存管理（malloc()）、設備管理（write()）、信息維護（time()）。
• 性能與應用關聯：
  • 不同結構影響系統性能與擴展性，如分層化結構便于功能擴展，微內核結構可定制性強。
  • 系統調用支撐應用功能實現，開發者通過調用專注業務邏輯，提升開發效率。

操作系統結構對比

結構類型	特點	優點	缺點	適用場景
簡單結構	功能混合，無清晰劃分	開發簡單，代碼量少	維護困難，牽一發而動全身	早期小型系統、簡單功能場景
模塊化結構	功能分模塊，模塊獨立	方便開發維護，模塊問題不影響其他模塊	接口設計復雜	中等規模系統，功能相對獨立場景
分層化結構	功能分層，上層依賴下層	層次清晰，易于理解擴展，修改一層不影響其他層	層間交互可能有性能損耗	大型系統，功能層次分明場景
微內核結構	核心功能精簡，其他功能以服務器形式在用戶空間運行	擴展性靈活性強，安全性高	微內核與服務器通信開銷	嵌入式系統、對安全性擴展性要求高場景
外核結構	硬件資源靈活呈現給上層軟件，上層直接管理資源	適應特殊資源管理需求，性能高	上層軟件開發難度大	高性能計算等對資源管理有特殊需求場景

系統調用分類與功能關系

調用分類 → 功能領域 → 典型調用函數 → 應用場景  ↓          ↓           ↓            ↓  進程管理 → 進程操作 → `fork()` → 創建新進程  文件管理 → 文件操作 → `open()`、`read()` → 讀寫文件  

知識圖譜

計算機操作系統（四） 操作系統的結構與系統調用  
├─ 操作系統結構  
│  ├─ 簡單結構（早期“大雜燴”）  
│  ├─ 模塊化結構（功能分模塊）  
│  ├─ 分層化結構（功能分層）  
│  ├─ 微內核結構（核心精簡）  
│  └─ 外核結構（靈活資源管理）  
├─ 系統調用體系  
│  ├─ 基本概念（應用與系統交互接口）  
│  ├─ 調用類型（進程/文件/內存/設備/信息維護）  
│  ├─ 調用流程（用戶態到內核態切換）  
│  └─ 應用場景（支撐應用功能實現）  
├─ 關鍵術語  
│  ├─ 進程管理、文件管理、內存管理  
│  ├─ 用戶態、內核態、系統調用接口  
│  └─ 模塊化、分層化、微內核、外核  
└─ 性能與應用  ├─ 結構對性能擴展性影響  ├─ 系統調用對應用開發作用  └─ 不同場景下結構與調用選擇  

重點提煉

1. 操作系統結構特色：

   • 簡單結構向復雜結構演進，滿足不同規模與功能需求。
   • 微內核結構和外核結構代表先進設計理念，適應特殊場景需求。

2. 系統調用核心邏輯：

   • 系統調用是應用獲取系統服務關鍵途徑，保證系統安全穩定。
   • 熟悉常見系統調用類型，有助于高效開發應用程序。

3. 結構與調用實踐意義：

   • 根據應用場景選擇合適操作系統結構，優化系統性能。
   • 合理使用系統調用，避免過度或不當調用影響系統效率。

4. 技術演進趨勢：

   • 從單一結構設計到混合結構融合，提升系統綜合性能。
   • 系統調用接口標準化與簡化，降低開發門檻。

操作系統結構性能對比表

指標	簡單結構	模塊化結構	分層化結構	微內核結構	外核結構
開發難度	低	中等	較高	較高	高
維護難度	高	低	中等	低	高
擴展性	差	好	好	很好	好（特定場景）
安全性	低	中等	中等	高	中等（依賴上層軟件）
性能開銷	低（無額外開銷）	中等（接口調用開銷）	中等（層間交互開銷）	較高（通信開銷）	低（直接管理資源）

操作系統技術演進脈絡

技術演進 —— 簡單結構（早期） → 模塊化結構（功能分治） → 分層化結構（層次管理） → 微內核/外核結構（先進設計）  ↓         ↓               ↓               ↓  
應用升級 —— 簡單功能實現 → 中等規模應用 → 大型復雜系統 → 特殊場景定制系統  

---

以上就是對本次關于操作系統博客內容的總結，后續我們將深入探討操作系統更多知識。

我的個人主頁，歡迎來閱讀我的其他文章
https://blog.csdn.net/2402_83322742?spm=1011.2415.3001.5343
我的操作系統博客專欄
https://blog.csdn.net/2402_83322742/category_12916780.html?spm=1001.2014.3001.5482

非常感謝您的閱讀，喜歡的話記得三連哦