操作系统基本概念(内核态与用户态、操作系统结构)-by sixleaves

内核态与用户态(为什么存在这种机制、程序应处于哪个状态、如何判断当前所处状态、哪些功能需要内核态、如何实现这种机制)

1.首先我们应该思考清楚为什么会有内核态和用户态?(为什么存在这种机制)

因为计算机的资源是有限的, 所以不可能让每个程序都能访问所有资源, 有的程序能访问任何资源, 有的则不能。就如人类社会中的社会地位一样, 越是社会地位高的人, 拥有的资源越多。所以运行于内核态的程序必须要有十分可靠的安全性, 不然随便修改了OS的内核数据结构, 就会造成系统的崩溃。而处于用户态的程序, 最多知识用户程序崩溃, 操作系统还能继续运行。

2.如何判断程序应该处于内核态还是用户态

1.具体来说如果程序能运行在用户态, 就不让其运行于内核态。
2.如果牵扯到的是计算机本体根本运行的事情应该在内核态中执行。而于用户数据, 应用相关的应该方法用户态执行。
3.对于时序性要求非常高的, 也应该放在内核态.比如国家领导人出门做车, 为了保证不塞车, 肯定不是去做公交车。

3.那么哪些功能应该在内核态实现哪些功能在用户态实现

1.CPU管理和内存管理肯定都在内核态.如果放在用户态实现, 就如同一个国家里哪个人都能管理军队, 这是十分危险, 不玩安全的, 所以为了计算机的安全性, 可靠性, 就必须在内核态来实现。所谓的内核态就是拥有特权。
2.诊断和测试程序, 因为诊断和测试程序需要访问计算机所有资源

4.怎么来判断某个进程是处于内核态还是用户态？

1.这显然需要一种标记。而这个标记就是CPU上的一个位, 这个位就可以用来标记当前CPU所处的状态。也就说所谓的程序内核态或者用户态，本质上指的是CPU所处的状态, CPU处于什么状态, 当前程序就是好什么状态。

5.那么我们如何实现内核态和用户这种机制态的呢？

1.我们知道内核态和用户态的区别就是对于资源的访问权限不一样。那么我们如何实现这样的权限？这需要对程序执行的每一条指令进行检查才能完成, 这种检查就是地址翻译。程序发出一条指令都需要经过这个地址翻译过程，从而我们通过控制翻译，就可以限制程序对资源的访问。
2.而内核态对所有资源都有特权, 所以内核程序都是直接绕过内存地址翻译而直接执行特权指令。

操作系统结构(操作系统的结构的发展、微内核)

1.杂乱、无结构:

一开始人们也没有操作系统这个概念, 没有将库函数统称为操作系统。要什么功能就把它加进去, 所以一开始的操作系统是:杂乱的、无结构的。

2.单一操作系统结构:

随着人们的认识, 操作系统慢慢变得有结构, 人们把各种功能归位一个功能块, 彼此相互独立, 能相互调用, 这时候的功能某块是图关系形式的。这样的功能模块关系复杂, 耦合性太高。任意修改一个功能模块, 每个的功能模块都要重新修改。所以人们就先到了人类社会的层级关系。

3.层次化的操作系统结构

人们给操作系统定义了各个的层, 没一层为最临近的高一层提供服务。就如人类社会的结构: 职员--》项目经理--》主管---》公司老大

4.操作系统的结构所带来的问题。

1.首先操作系统的所有功能都在内核态运行。而从用户态转为内核态需要一定的时间成本，这就造成了频发进入内核态会造成操作系统效率低下。
2.其次当操作系统越来越大时, 要保证安全性就越来越难。如1400行的操作系统和40 000 000行的操作系统区别可想而知。

5.微内核

正是基于操作系统接口所带来的问题, 人们又相处一个办法，将操作系统中核心的核心放在内核态, 其它全都移到用户太。这就提高了效率和安全性。如下图，现在各种操作系统都向着这个方向发展。