探究計算機操作系統體系結構分析

韓彬

摘 要：計算機操作系統自從被研究出來后，已經歷經了多年的發展，在漫長的發展過程中也逐漸涌現出了許多操作系統的體系結構，例如：簡單體系結構、微內核結構和外核結構等。本文以此為背景，進行了深入的研究，主要針對操作系統結構進行了細致分析，并指出了這些結構格子所具備的優勢與劣勢，借以對我國的計算機操作系統的發展發揮有效的促進作用。

關鍵詞：計算機;操作系統體系結構;分析

操作系統對于計算機而言，不僅是一項最為基礎，也是一項最為重要的系統軟件。立足于計算機用戶的角度而言，計算機操作系統主要是其所能享受的各項服務;從程序員層面來看，是用戶登錄某一個程序的界面或者是接口;對于設計人員來說，則是多樣化的模塊同單元之間的不同聯系，即本文重點研究的操作系統的體系結構。放諸現實，設計或改善一套全新的操作系統的重點在于設計體系結構，歷經多年發展，計算機操作系統已由最初的單一控制循環體逐漸演變為較為復雜的分布式操作系統，加之用戶的需求逐漸呈現出了多樣化特征，計算機操作系統已然變成了一個兼具復雜與龐大的軟件系統。參照相關研究結果表明，分析計算機操作系統的體系結構有助于正確處理軟件系統的復雜問題，如此一來，此舉具有一定的現實意義。

一、簡單體系結構

計算機操作系統體系結構的最初模樣便是簡單體系結構，礙于彼時的多種因素影響，比如平臺、軟件應用等方面的限制，致使系統結構展現出了一種混亂無章的模樣，比如：操作系統的各用戶使用的應用程序同內核程序混雜在一起，甚者二者的運行地址和空間完全一致。這類操作系統的本質就是相關過程與項目的簡易組合，而其中所運用的方法也較為簡單，因此使得其結構從宏觀層面上來看，十分模糊。

該體系結構的優點與缺點如下所述：優點：不同模塊之間的組合方式相對簡單，組合結構比較緊湊，具備較高的靈活性，可以參照使用環境和實際需求的不同自由組裝，且因為其能直接應用在不同過程中，導致結構的工作效率較高。

缺點：1.從上文所述可知，該操作結構較為模糊，不同過程間毫無規律的相互調用的問題時有發生，過程間的網絡與聯系均較為復雜化，致使相關人員難以清楚認知結構情況。2.系統內各過程間的聯結性過強，對單一過程進行的改動往往會影響到其他過程，此舉造成了系統的維護性較差的情況。3.系統內各過程間具有復雜聯系，無法保證其處理結果的正確性，且每一過程都是可見的，難以隱藏信息，這就造成了該系統的可靠性與安全性較低。

二、微內核結構

微內核計算機操作系統體系結構的主要任務是把系統中原有的代碼轉移到較高層次之中，借以減少系統內所存代碼的數量，降低內核體積，因此，該結構也被稱為服務器結構或是客戶機結構。通常，該系統結構所使用的方法主要是借由用戶進程向服務器發送相關請求與要求，進而由服務器在完成后續操作后，通過某個途徑再反饋至用戶進程中。在微內核結構中，內核的工作內容就是處理客戶端與服務器之間的通信信息，系統內包含多個部分，每個部分各具備一定功能，譬如：文件管理、進程管理等，這些部分的內容量較小，致使管理工作也可以較為便利的開展。內核機構的服務與運行均是借助用戶進程的形式得以展現，無需在核心中運行或是直接訪問硬件，以此避免在服務器出現錯誤或是受損時對系統產生影響，僅會使相關的服務器崩潰。

該體系結構的優點與缺點如下所述：優點：從上文可知，微內核結構具有較高的靈活性、拓展性以及可靠性，這將會大幅降低系統的整體復雜度。

缺點：從某種層面上來看，微內核結構也具有難以忽略的缺陷，主要表現在應用程序調動服務時需經過兩次的用戶態與核心態的切換。

三、外核結構

外核結構的本質是為了使操作系統獲取更優化的性能與更高的靈活性，操作系統的接口處在整體系統中屬于硬件層，內核之中將以往操作系統產生的抽象全部提出，將重點放置在硬件資源的復用。在操作系統的外核結構中，內核所擔負的主要任務是單一的申請操作、釋放和復用硬件資源，過往操作系統提供的抽象將全部應用于用戶空間中。

通常情況下，外核結構的內核主要分別負責三個方面的工作：跟蹤資源的所有權、保護操作系統的安全性和撤銷對資源的訪問行為。外核中，所有操作系統的抽象都以庫的形式展現出來，而用戶在訪問硬件資源時，也是借由調用庫來完成操作的。

該體系結構的優點與缺點如下所述：優點：外核機構所呈現出的最明顯的特點是較快的運行速度，應用程序可以直接訪問硬件系統;良好的拓展性，該系統僅需在應用層之上額外添加一個系統庫即可拓展出應用或功能，無需對內核做出任何改動;較好的靈活性，只對系統庫配置加以更改即可使系統適應不同的運行環境。

缺點：外核結構最為明顯的缺點是較差的安全性，系統之內的多數共享服務均處于應用層之中，若想對其開展保護工作則只能借由互聯網用戶予以實施，此舉將會降低系統的安全性。

綜上所述，由上文可知，在市場中較為主流的操作系統的體系結構都具有不同的優勢與劣勢，尚未出現一種盡善盡美的體系結構。通常來講，微內核結構的操作系統體系結構多應用在安全的操作系統之中，而簡單結構和外核結構則會適用在嵌入式操作系統中。不過，在實際的應用過程中，則需參照具體的實際情況選擇適宜的體系結構，在必要時間，可以依據各異的需求對操作系統進行合理修改，從而滿足實際所需。

參考文獻：

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