目錄

簡單結構（Simple Structure）

整體式結構（Monolithic Structure）

?什么是 Kernel（內核）？

?層次結構（Layered Structure）

微內核結構（Microkernel）

模塊化結構（Modular Structure）

操作系統結構對比總結?

---

我們現在來講講操作系統的結構（Structures of Operating System），從最基礎的 “Simple Structure（簡單結構）” 開始，為你打下理解現代操作系統結構的基礎。

操作系統結構是指：操作系統內部不同模塊、不同程序之間的組織方式和層級安排。

簡單結構（Simple Structure）

這是最基礎、最早期的操作系統結構形式，沒有嚴格的層級劃分，通常直接堆疊使用一些核心模塊。

組成部分說明：

1?? ROM BIOS Device Drivers（只讀內存中的基本設備驅動）

這部分代碼存儲在主板的 ROM（Read-Only Memory）中，在電腦剛開機時首先運行。

• BIOS（Basic Input/Output System）：
  是最基礎的硬件控制程序，用于識別和啟動 CPU、內存、硬盤、鍵盤等設備。

• 含有最底層的 驅動程序（device drivers），比如控制鍵盤、顯示器、硬盤啟動等。

類比：它就像電腦的“點火鑰匙”與“初始控制中心”。

2?? Device Drivers（設備驅動）

驅動程序是用來控制具體硬件設備的軟件模塊：

• 控制打印機、鼠標、攝像頭、網卡等

• 每個設備都需要一個對應的驅動程序

• 驅動程序是操作系統與硬件之間的橋梁

類比：就像你手機上的藍牙耳機 App，它讓系統可以和耳機通信。

3?? Resident System Programs（常駐系統程序）

這類程序一直駐留在內存中，提供一些基礎服務：

• 文件管理（復制/粘貼文件）

• 內存調度

• I/O 操作管理

• 進程創建與切換等

這些程序構成了操作系統的“主心骨”，負責協調各類資源。

類比：相當于物業管理員，幫助你調度資源、響應事件。

4?? Application Programs（應用程序）

最上層的就是用戶直接使用的程序，例如：

• 瀏覽器、記事本、視頻播放器

• Word、Excel、Photoshop

• 游戲、編輯器等

這些程序依賴下方的系統服務來運行，但本身不屬于操作系統核心部分。

類比：是住在大樓里的“用戶”，使用操作系統提供的“電、水、暖”等基礎服務。

在這種結構：每一層依賴下一層，下一層為上一層提供服務。?

雖然結構簡單，但這種方式存在嚴重的問題：

?1. 沒有模塊化（No Clear Separation）

• 各層之間的代碼往往混雜在一起

• 比如應用程序可能直接調用硬件指令（不安全）

• 很難在不影響整個系統的情況下修改某一部分

?類比：就像一棟沒有分區的房子，改一堵墻可能把整個屋頂搞垮。

?2. 難以維護與升級

• 如果驅動程序有 bug，可能直接影響整個系統運行

• 增加新功能要改動多個部分，容易出錯

• 稍有修改，就可能影響整個系統穩定性

?3. 安全性差

• 所有程序運行在同一個級別，沒有權限隔離

• 應用程序可以直接操作硬件資源，容易造成破壞或被攻擊

?類比：任何人都可以開車進銀行金庫，沒有門禁控制。

?4. 不適合復雜系統

• 隨著功能增多，代碼膨脹，系統會變得非常臃腫

• 無法有效支持多用戶、多任務等復雜需求

• 結構太“扁平”，功能太“集中”，容易崩潰

---

整體式結構（Monolithic Structure）

Monolithic Structure（整體式結構） 是一種將操作系統的所有核心功能寫在一個統一的大模塊（kernel）中的結構方式。所有服務（調度、內存、文件、驅動等）都運行在同一個空間、一個內核程序中。

為什么叫“Monolithic”？

“Monolithic” 的字面意思是“單塊的”、“整體的”。

這就像一塊大石頭，把所有功能（進程管理、內存管理、設備驅動、文件系統等）都包在一起做成一個大內核：

?整體式結構的特點：

?1. 所有核心服務都運行在內核態（Kernel Mode）

• 內核是一個單獨的大程序

• 不劃分模塊運行層級

• 不同功能之間可以直接調用和通信

?舉例：內存管理模塊可以直接調用文件系統、調度器、設備驅動等。

?2. 使用 System Call（系統調用）作為用戶與內核之間的接口

• 用戶程序無法直接操作硬件

• 但可以通過系統調用（如 read(), write(), fork()）來請求服務

• 系統調用進入內核，由對應模塊處理請求

實際例子：

• UNIX 是最典型的 Monolithic Structure 操作系統

• Linux 也是整體結構的一個“模塊化變種”（Modular Monolithic）

Monolithic 的缺點：

缺點	說明
?易出錯	所有服務共享內核空間，任何一個模塊出錯都可能導致整個系統崩潰
?不易維護	功能耦合緊密，代碼龐大，修改或升級困難
?安全性低	所有模塊都能訪問系統資源，缺乏隔離保護機制

就像一臺“功能超級齊全”的機器，但所有零件都焊死在一起，一個齒輪壞了整臺機器都停工。

?什么是 Kernel（內核）？

Kernel（內核） 是操作系統中最核心的部分，負責直接管理CPU、內存、文件、設備等系統資源，是用戶程序和硬件之間的中介和控制中心。

Kernel 是操作系統的“大腦”

你可以把操作系統想象成一個公司，而內核就是這個公司的總經理辦公室：

• 程序 = 員工

• 硬件 = 工具資源

• 內核 = 總調度中心，誰做什么、何時做、用哪些資源，全都它說了算！

Kernel 與用戶程序的關系

用戶程序（瀏覽器、游戲等）不能直接操作硬件，必須通過內核來“委托”：

應用程序↓   請求服務
系統調用接口↓
操作系統內核（Kernel） ← 控制 → 硬件設備（CPU、內存等）

Kernel 運行在 特權模式（Kernel Mode）

現代計算機有兩種工作模式：Kernel Mode（內核態）和 User Mode（用戶態）

這部分內容不再詳細介紹，不懂的可以參考：操作系統：系統調用（System Calls）-CSDN博客

---

?層次結構（Layered Structure）

Layered Structure（分層結構） 是把操作系統按照功能模塊分成多個“層”，每一層只依賴于它的下一層，像洋蔥一樣一圈套一圈，結構清晰，便于設計、維護與修改。

為什么提出“層次結構”？

還記得我們講過：

• 簡單結構：代碼雜亂、模塊無邊界、難維護

• 整體式結構：雖然集中，但模塊之間依然緊耦合，修改麻煩

于是，人們提出一種更有條理性的方案：

? 把操作系統按職責分層，讓每一層只做自己該做的事，不能“越權”訪問更底層或更高層的內容。

層次結構的基本思路：

• 最底層 → 與硬件最接近（如 CPU、內存）

• 中間層 → 提供核心系統功能（如進程、文件）

• 上層 → 與用戶交互（如命令行界面、應用程序）

常見分層結構（示意）：

┌────────────────────────────┐
│ Layer 6: User Programs      │ ← 用戶應用，最上層
├────────────────────────────┤
│ Layer 5: System Calls / API│ ← 提供用戶調用接口
├────────────────────────────┤
│ Layer 4: I/O Management     │ ← 輸入輸出、緩沖、打印等
├────────────────────────────┤
│ Layer 3: Memory Management  │ ← 內存分配、分頁、回收
├────────────────────────────┤
│ Layer 2: Process Management │ ← CPU調度、進程控制
├────────────────────────────┤
│ Layer 1: Device Drivers     │ ← 控制硬件設備
├────────────────────────────┤
│ Layer 0: Hardware           │ ← 最底層，物理硬件
└────────────────────────────┘

每一層都只使用「下一層提供的功能」

• Layer 5 調用 Layer 4 提供的服務

• Layer 2 不能跳過 Layer 1 直接訪問硬件

• ?每一層都像一個“黑盒”，對上層隱藏實現細節

層次結構的優點：?

優點	說明
模塊化強	每一層功能單一，界限清晰
易于調試和維護	修改某一層時，不影響其他層
安全性高	上層不能直接訪問下層以下的內容
可擴展性好	新功能可加到某一層，不影響整體結構

?缺點：

缺點	說明
?實現難度高	必須設計好各層之間的接口
?性能略低	每一層都需經過調用，響應時間比 Monolithic 長
?層間強依賴	一層出錯可能導致上層全部失效

---

微內核結構（Microkernel）

?Microkernel（微內核） 是一種將操作系統核心（Kernel）功能精簡到最小，只保留最基本服務（如進程通信、CPU調度、內存管理），其余服務全部移出內核，運行在用戶空間 的操作系統結構。

Microkernel 的核心設計思想：

把非核心服務都移出內核，做“最小可運行內核”，提高系統安全性和穩定性。

icrokernel 內部和外部服務的分離

在內核中（核心功能）	在用戶空間（外部服務）
?CPU 調度（進程切換）	?文件系統服務
?內存管理	?驅動程序（打印機、硬盤等）
?IPC（進程間通信）	?用戶界面（GUI、命令行）
?系統調用接口	?網絡協議、權限控制模塊

🔄 微內核運行流程示意

┌────────────────────────────┐
│      應用程序（用戶空間）     │ ← 用戶程序 / 驅動 / 文件服務
├────────────────────────────┤
│ 微內核（Kernel Mode）       │ ← 只負責通信、調度、內存
├────────────────────────────┤
│       硬件（CPU, Memory）   │
└────────────────────────────┘

所有的外部服務（如文件管理、驅動）通過IPC（Inter-Process Communication，進程間通信）與內核交互。

實際例子：

• MINIX（微型教學操作系統）

• QNX（實時操作系統，廣泛用于汽車、醫療設備）

• macOS（部分使用微內核）：其核心 XNU 結合了微內核和整體結構

• L4、Symbian OS（早期手機系統）

微內核結構的優點：

優點	說明
更安全	外部服務運行在用戶空間，出錯不影響系統核心
更穩定	內核非常小，bug 少、崩潰概率低
易于擴展和移植	不同模塊可獨立開發、替換
模塊化強	每個功能像插件一樣可卸載、重啟

?缺點：

缺點	說明
性能開銷大	內核與外部服務需頻繁通信（IPC），速度慢于整體結構
實現復雜	服務拆分、接口通信設計難度高
驅動開發難	驅動在用戶空間運行，調試較復雜

類比幫助理解：

?Monolithic（整體內核）：

就像一個大型百貨商場，所有服務都集中在一棟樓里，方便但一旦失火（系統崩潰），整棟樓就癱了。

?Microkernel（微內核）：

像一個分布式小鎮，政府只負責調度交通和治安（調度 + 通信），其他功能（商店、醫院、學校）都是獨立運行的，哪個壞了不影響其他。

---

模塊化結構（Modular Structure）

模塊化結構是一種“整體式內核 + 模塊化管理”的結構，內核支持將功能劃分為多個獨立的模塊，這些模塊可以在需要時動態加載或卸載，既保持了執行效率，又提高了靈活性與可維護性。

背景：為什么需要“模塊化”？

在我們之前講的 Monolithic Structure 中：

• 所有功能（進程管理、文件系統、驅動程序）都寫死在一個大內核里

• 改一個模塊，必須重新編譯整個內核

• 不方便擴展，也難調試

于是提出一種改進思路：

? 把內核劃分為功能模塊，可按需加載或卸載，不用重啟系統、不用重編內核！

模塊是怎么工作的？

• 系統運行中，只有“需要的模塊”才被加載進內核

• 加載/卸載可以動態進行（無需重啟）

• 內核提供專門的命令或接口來管理模塊（例如 Linux 的 insmod、rmmod）

類比：像一個智能手機系統，相機、GPS、藍牙這些功能都是“插件”——用時開啟，不用時關閉，省資源還不怕崩潰。

結構示意

┌────────────────────────────┐
│   用戶程序（User Programs） │
├────────────────────────────┤
│     系統調用接口（Syscalls） 
├────────────────────────────┤
│ 模塊化內核（Modular Kernel  │
│  ├─ 核心內核功能（調度、內存 │
│  ├─ 可加載模塊（驅動、文件系統│
└────────────────────────────┘

內核模塊的例子：

模塊類型	舉例說明
驅動模塊	如鼠標驅動、聲卡驅動、網卡驅動
文件系統模塊	如 ext4、NTFS、FAT32
網絡協議模塊	TCP/IP、UDP、ICMP
安全模塊	防火墻、SELinux 模塊等

實際例子：Linux 內核

• Linux 是一個 Monolithic Kernel，但它的實現是模塊化的

• 它支持大量 Loadable Kernel Modules（LKM），包括：

  • 文件系統

  • 設備驅動

  • 網絡協議

  • 系統監控插件

?模塊化結構的優缺點：

優點	說明
?高模塊化	各模塊獨立，界限清晰，便于維護
?易于擴展	加載新模塊無需改動核心內核
?易于測試與調試	出問題只需卸載該模塊，不影響內核整體
?性能優于 Microkernel	各模塊仍運行在內核態，無需頻繁 IPC

缺點	說明
?模塊出錯仍可能影響系統	因為模塊運行在內核態，仍有全局訪問權限
?安全性不如微內核	沒有完全的隔離機制，模塊崩潰可能拖垮系統
?相較于微內核，耦合仍較強	核心仍比較大，非最小核心系統

類比幫助理解：

• Monolithic Kernel：一個功能強大的“大倉庫”，所有東西都裝在一起

• Modular Kernel：一個可以加掛插件的“模塊化倉庫”

• Microkernel：一個超簡倉庫，其他功能都外包出去（不自己做）

操作系統結構對比總結?

特征/結構類型	Simple Structure（簡單結構）	Monolithic Structure（整體結構）	Layered Structure（層次結構）	Microkernel（微內核）	Modular Structure（模塊化結構）
?核心設計思想	沒有明確分層，功能雜糅	所有功能集中在一個大內核中	操作系統功能劃分為多個層次	只保留最小內核，其它服務運行在用戶空間	內核功能模塊化，按需加載/卸載
?模塊劃分清晰度	? 極低	? 較差（全在一起）	? 明確分層	? 極高	? 高（但仍屬內核空間）
?運行效率	? 高（簡單無切換）	? 很高（無需進程間通信）	?較低（層層調用）	?慢（IPC 通信頻繁）	? 高（可擴展又高效）
?安全性與穩定性	? 極低	? 較低（一個模塊崩潰拖全系統）	? 較高（層隔離）	? 極高（服務在用戶空間）	? 中等偏上
?易維護/易擴展	? 差	? 差（耦合緊密）	? 容易	? 最容易	? 非常方便
?開發難度	? 簡單	? 一般	? 高（接口定義復雜）	? 高（服務分散、通信設計難）	? 中等
?示例系統	MS-DOS, CP/M	UNIX, Linux (早期)	THE OS, MULTICS	MINIX, QNX, Symbian	Linux（現代）, Windows NT
?服務位置	所有功能寫死在系統中	所有功能集中在內核	分層管理，逐層調用	內核只做調度+通信，其它功能外部運行	核心功能 + 可加載模塊
?內核大小（功能集中度）	很大或無結構	非常大	中等	極小（最小功能內核）	中等

五種結構一圖總結：

Simple        → 所有代碼混在一起，沒有分工
Monolithic    → 所有功能集中在一個內核程序里
Layered       → 功能按層級劃分，每層只調用下層
Microkernel   → 只保留調度、通信，其它功能外包出去
Modular       → 核心內核 + 可加載模塊（組合式結構）

使用場景建議（理解+選擇）：

需求場景	推薦結構	原因說明
小型嵌入式設備	Microkernel / Modular	更安全、更穩定、易于維護
教學 / 實驗系統	Simple / Layered	結構易理解，適合演示系統原理
高性能服務器系統	Modular / Monolithic	性能要求高，模塊化擴展能力強，響應快
商業桌面操作系統	Hybrid / Modular	靈活、安全與性能的平衡
實時系統（航天/汽車）	Microkernel	模塊獨立，崩潰不會影響核心系統，適合關鍵任務系統