操作系统：操作系统的结构（Structures of Operating System）

目录

简单结构（Simple Structure）

整体式结构（Monolithic Structure）

 什么是 Kernel（内核）？

 层次结构（Layered Structure）

微内核结构（Microkernel）

模块化结构（Modular Structure）

操作系统结构对比总结 

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我们现在来讲讲操作系统的结构（Structures of Operating System），从最基础的 “Simple Structure（简单结构）” 开始，为你打下理解现代操作系统结构的基础。

操作系统结构是指：操作系统内部不同模块、不同程序之间的组织方式和层级安排。

简单结构（Simple Structure）

这是最基础、最早期的操作系统结构形式，没有严格的层级划分，通常直接堆叠使用一些核心模块。

组成部分说明：

1️⃣ ROM BIOS Device Drivers（只读内存中的基本设备驱动）

这部分代码存储在主板的 ROM（Read-Only Memory）中，在电脑刚开机时首先运行。

• BIOS（Basic Input/Output System）：
  是最基础的硬件控制程序，用于识别和启动 CPU、内存、硬盘、键盘等设备。

• 含有最底层的 驱动程序（device drivers），比如控制键盘、显示器、硬盘启动等。

类比：它就像电脑的“点火钥匙”与“初始控制中心”。

2️⃣ Device Drivers（设备驱动）

驱动程序是用来控制具体硬件设备的软件模块：

• 控制打印机、鼠标、摄像头、网卡等

• 每个设备都需要一个对应的驱动程序

• 驱动程序是操作系统与硬件之间的桥梁

类比：就像你手机上的蓝牙耳机 App，它让系统可以和耳机通信。

3️⃣ Resident System Programs（常驻系统程序）

这类程序一直驻留在内存中，提供一些基础服务：

• 文件管理（复制/粘贴文件）

• 内存调度

• I/O 操作管理

• 进程创建与切换等

这些程序构成了操作系统的“主心骨”，负责协调各类资源。

类比：相当于物业管理员，帮助你调度资源、响应事件。

4️⃣ Application Programs（应用程序）

最上层的就是用户直接使用的程序，例如：

• 浏览器、记事本、视频播放器

• Word、Excel、Photoshop

• 游戏、编辑器等

这些程序依赖下方的系统服务来运行，但本身不属于操作系统核心部分。

类比：是住在大楼里的“用户”，使用操作系统提供的“电、水、暖”等基础服务。

在这种结构：每一层依赖下一层，下一层为上一层提供服务。 

虽然结构简单，但这种方式存在严重的问题：

 1. 没有模块化（No Clear Separation）

• 各层之间的代码往往混杂在一起

• 比如应用程序可能直接调用硬件指令（不安全）

• 很难在不影响整个系统的情况下修改某一部分

 类比：就像一栋没有分区的房子，改一堵墙可能把整个屋顶搞垮。

 2. 难以维护与升级

• 如果驱动程序有 bug，可能直接影响整个系统运行

• 增加新功能要改动多个部分，容易出错

• 稍有修改，就可能影响整个系统稳定性

 3. 安全性差

• 所有程序运行在同一个级别，没有权限隔离

• 应用程序可以直接操作硬件资源，容易造成破坏或被攻击

 类比：任何人都可以开车进银行金库，没有门禁控制。

 4. 不适合复杂系统

• 随着功能增多，代码膨胀，系统会变得非常臃肿

• 无法有效支持多用户、多任务等复杂需求

• 结构太“扁平”，功能太“集中”，容易崩溃

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整体式结构（Monolithic Structure）

Monolithic Structure（整体式结构） 是一种将操作系统的所有核心功能写在一个统一的大模块（kernel）中的结构方式。所有服务（调度、内存、文件、驱动等）都运行在同一个空间、一个内核程序中。

为什么叫“Monolithic”？

“Monolithic” 的字面意思是“单块的”、“整体的”。

这就像一块大石头，把所有功能（进程管理、内存管理、设备驱动、文件系统等）都包在一起做成一个大内核：

 整体式结构的特点：

 1. 所有核心服务都运行在内核态（Kernel Mode）

• 内核是一个单独的大程序

• 不划分模块运行层级

• 不同功能之间可以直接调用和通信

 举例：内存管理模块可以直接调用文件系统、调度器、设备驱动等。

 2. 使用 System Call（系统调用）作为用户与内核之间的接口

• 用户程序无法直接操作硬件

• 但可以通过系统调用（如 read(), write(), fork()）来请求服务

• 系统调用进入内核，由对应模块处理请求

实际例子：

• UNIX 是最典型的 Monolithic Structure 操作系统

• Linux 也是整体结构的一个“模块化变种”（Modular Monolithic）

Monolithic 的缺点：

缺点	说明
易出错	所有服务共享内核空间，任何一个模块出错都可能导致整个系统崩溃
不易维护	功能耦合紧密，代码庞大，修改或升级困难
安全性低	所有模块都能访问系统资源，缺乏隔离保护机制

就像一台“功能超级齐全”的机器，但所有零件都焊死在一起，一个齿轮坏了整台机器都停工。

 什么是 Kernel（内核）？

Kernel（内核） 是操作系统中最核心的部分，负责直接管理CPU、内存、文件、设备等系统资源，是用户程序和硬件之间的中介和控制中心。

Kernel 是操作系统的“大脑”

你可以把操作系统想象成一个公司，而内核就是这个公司的总经理办公室：

• 程序 = 员工

• 硬件 = 工具资源

• 内核 = 总调度中心，谁做什么、何时做、用哪些资源，全都它说了算！

Kernel 与用户程序的关系

用户程序（浏览器、游戏等）不能直接操作硬件，必须通过内核来“委托”：

应用程序↓   请求服务
系统调用接口↓
操作系统内核（Kernel） ← 控制 → 硬件设备（CPU、内存等）

Kernel 运行在 特权模式（Kernel Mode）

现代计算机有两种工作模式：Kernel Mode（内核态）和 User Mode（用户态）

这部分内容不再详细介绍，不懂的可以参考：操作系统：系统调用（System Calls）-CSDN博客

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 层次结构（Layered Structure）

Layered Structure（分层结构） 是把操作系统按照功能模块分成多个“层”，每一层只依赖于它的下一层，像洋葱一样一圈套一圈，结构清晰，便于设计、维护与修改。

为什么提出“层次结构”？

还记得我们讲过：

• 简单结构：代码杂乱、模块无边界、难维护

• 整体式结构：虽然集中，但模块之间依然紧耦合，修改麻烦

于是，人们提出一种更有条理性的方案：

✨ 把操作系统按职责分层，让每一层只做自己该做的事，不能“越权”访问更底层或更高层的内容。

层次结构的基本思路：

• 最底层 → 与硬件最接近（如 CPU、内存）

• 中间层 → 提供核心系统功能（如进程、文件）

• 上层 → 与用户交互（如命令行界面、应用程序）

常见分层结构（示意）：

┌────────────────────────────┐
│ Layer 6: User Programs      │ ← 用户应用，最上层
├────────────────────────────┤
│ Layer 5: System Calls / API│ ← 提供用户调用接口
├────────────────────────────┤
│ Layer 4: I/O Management     │ ← 输入输出、缓冲、打印等
├────────────────────────────┤
│ Layer 3: Memory Management  │ ← 内存分配、分页、回收
├────────────────────────────┤
│ Layer 2: Process Management │ ← CPU调度、进程控制
├────────────────────────────┤
│ Layer 1: Device Drivers     │ ← 控制硬件设备
├────────────────────────────┤
│ Layer 0: Hardware           │ ← 最底层，物理硬件
└────────────────────────────┘

每一层都只使用「下一层提供的功能」

• Layer 5 调用 Layer 4 提供的服务

• Layer 2 不能跳过 Layer 1 直接访问硬件

•  每一层都像一个“黑盒”，对上层隐藏实现细节

层次结构的优点： 

优点	说明
模块化强	每一层功能单一，界限清晰
易于调试和维护	修改某一层时，不影响其他层
安全性高	上层不能直接访问下层以下的内容
可扩展性好	新功能可加到某一层，不影响整体结构

 缺点：

缺点	说明
实现难度高	必须设计好各层之间的接口
性能略低	每一层都需经过调用，响应时间比 Monolithic 长
层间强依赖	一层出错可能导致上层全部失效

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微内核结构（Microkernel）

 Microkernel（微内核） 是一种将操作系统核心（Kernel）功能精简到最小，只保留最基本服务（如进程通信、CPU调度、内存管理），其余服务全部移出内核，运行在用户空间 的操作系统结构。

Microkernel 的核心设计思想：

把非核心服务都移出内核，做“最小可运行内核”，提高系统安全性和稳定性。

icrokernel 内部和外部服务的分离

在内核中（核心功能）	在用户空间（外部服务）
CPU 调度（进程切换）	文件系统服务
内存管理	驱动程序（打印机、硬盘等）
IPC（进程间通信）	用户界面（GUI、命令行）
系统调用接口	网络协议、权限控制模块

🔄 微内核运行流程示意

┌────────────────────────────┐
│      应用程序（用户空间）     │ ← 用户程序 / 驱动 / 文件服务
├────────────────────────────┤
│ 微内核（Kernel Mode）       │ ← 只负责通信、调度、内存
├────────────────────────────┤
│       硬件（CPU, Memory）   │
└────────────────────────────┘

所有的外部服务（如文件管理、驱动）通过IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）与内核交互。

实际例子：

• MINIX（微型教学操作系统）

• QNX（实时操作系统，广泛用于汽车、医疗设备）

• macOS（部分使用微内核）：其核心 XNU 结合了微内核和整体结构

• L4、Symbian OS（早期手机系统）

微内核结构的优点：

优点	说明
更安全	外部服务运行在用户空间，出错不影响系统核心
更稳定	内核非常小，bug 少、崩溃概率低
易于扩展和移植	不同模块可独立开发、替换
模块化强	每个功能像插件一样可卸载、重启

 缺点：

缺点	说明
性能开销大	内核与外部服务需频繁通信（IPC），速度慢于整体结构
实现复杂	服务拆分、接口通信设计难度高
驱动开发难	驱动在用户空间运行，调试较复杂

类比帮助理解：

 Monolithic（整体内核）：

就像一个大型百货商场，所有服务都集中在一栋楼里，方便但一旦失火（系统崩溃），整栋楼就瘫了。

 Microkernel（微内核）：

像一个分布式小镇，政府只负责调度交通和治安（调度 + 通信），其他功能（商店、医院、学校）都是独立运行的，哪个坏了不影响其他。

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模块化结构（Modular Structure）

模块化结构是一种“整体式内核 + 模块化管理”的结构，内核支持将功能划分为多个独立的模块，这些模块可以在需要时动态加载或卸载，既保持了执行效率，又提高了灵活性与可维护性。

背景：为什么需要“模块化”？

在我们之前讲的 Monolithic Structure 中：

• 所有功能（进程管理、文件系统、驱动程序）都写死在一个大内核里

• 改一个模块，必须重新编译整个内核

• 不方便扩展，也难调试

于是提出一种改进思路：

➕ 把内核划分为功能模块，可按需加载或卸载，不用重启系统、不用重编内核！

模块是怎么工作的？

• 系统运行中，只有“需要的模块”才被加载进内核

• 加载/卸载可以动态进行（无需重启）

• 内核提供专门的命令或接口来管理模块（例如 Linux 的 insmod、rmmod）

类比：像一个智能手机系统，相机、GPS、蓝牙这些功能都是“插件”——用时开启，不用时关闭，省资源还不怕崩溃。

结构示意

┌────────────────────────────┐
│   用户程序（User Programs） │
├────────────────────────────┤
│     系统调用接口（Syscalls） 
├────────────────────────────┤
│ 模块化内核（Modular Kernel  │
│  ├─ 核心内核功能（调度、内存 │
│  ├─ 可加载模块（驱动、文件系统│
└────────────────────────────┘

内核模块的例子：

模块类型	举例说明
驱动模块	如鼠标驱动、声卡驱动、网卡驱动
文件系统模块	如 ext4、NTFS、FAT32
网络协议模块	TCP/IP、UDP、ICMP
安全模块	防火墙、SELinux 模块等

实际例子：Linux 内核

• Linux 是一个 Monolithic Kernel，但它的实现是模块化的

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

  • 文件系统

  • 设备驱动

  • 网络协议

  • 系统监控插件

 模块化结构的优缺点：

优点	说明
高模块化	各模块独立，界限清晰，便于维护
易于扩展	加载新模块无需改动核心内核
易于测试与调试	出问题只需卸载该模块，不影响内核整体
性能优于 Microkernel	各模块仍运行在内核态，无需频繁 IPC

缺点	说明
模块出错仍可能影响系统	因为模块运行在内核态，仍有全局访问权限
安全性不如微内核	没有完全的隔离机制，模块崩溃可能拖垮系统
相较于微内核，耦合仍较强	核心仍比较大，非最小核心系统

类比帮助理解：

• Monolithic Kernel：一个功能强大的“大仓库”，所有东西都装在一起

• Modular Kernel：一个可以加挂插件的“模块化仓库”

• Microkernel：一个超简仓库，其他功能都外包出去（不自己做）

操作系统结构对比总结 

特征/结构类型	Simple Structure（简单结构）	Monolithic Structure（整体结构）	Layered Structure（层次结构）	Microkernel（微内核）	Modular Structure（模块化结构）
核心设计思想	没有明确分层，功能杂糅	所有功能集中在一个大内核中	操作系统功能划分为多个层次	只保留最小内核，其它服务运行在用户空间	内核功能模块化，按需加载/卸载
模块划分清晰度	❌ 极低	⛔ 较差（全在一起）	✅ 明确分层	✅ 极高	✅ 高（但仍属内核空间）
运行效率	✅ 高（简单无切换）	✅ 很高（无需进程间通信）	较低（层层调用）	慢（IPC 通信频繁）	✅ 高（可扩展又高效）
安全性与稳定性	❌ 极低	⛔ 较低（一个模块崩溃拖全系统）	✅ 较高（层隔离）	✅ 极高（服务在用户空间）	✅ 中等偏上
易维护/易扩展	❌ 差	⛔ 差（耦合紧密）	✅ 容易	✅ 最容易	✅ 非常方便
开发难度	✅ 简单	✅ 一般	⛔ 高（接口定义复杂）	⛔ 高（服务分散、通信设计难）	✅ 中等
示例系统	MS-DOS, CP/M	UNIX, Linux (早期)	THE OS, MULTICS	MINIX, QNX, Symbian	Linux（现代）, Windows NT
服务位置	所有功能写死在系统中	所有功能集中在内核	分层管理，逐层调用	内核只做调度+通信，其它功能外部运行	核心功能 + 可加载模块
内核大小（功能集中度）	很大或无结构	非常大	中等	极小（最小功能内核）	中等

五种结构一图总结：

Simple        → 所有代码混在一起，没有分工
Monolithic    → 所有功能集中在一个内核程序里
Layered       → 功能按层级划分，每层只调用下层
Microkernel   → 只保留调度、通信，其它功能外包出去
Modular       → 核心内核 + 可加载模块（组合式结构）

使用场景建议（理解+选择）：

需求场景	推荐结构	原因说明
小型嵌入式设备	Microkernel / Modular	更安全、更稳定、易于维护
教学 / 实验系统	Simple / Layered	结构易理解，适合演示系统原理
高性能服务器系统	Modular / Monolithic	性能要求高，模块化扩展能力强，响应快
商业桌面操作系统	Hybrid / Modular	灵活、安全与性能的平衡
实时系统（航天/汽车）	Microkernel	模块独立，崩溃不会影响核心系统，适合关键任务系统