操作系统：设计与实现（Operating System Design Implementation）

目录

设计目标（Design Goals）

设计需求（Requirements）

策略与机制（Mechanisms vs. Policies）

什么是机制（Mechanism）？

什么是策略（Policy）？

🚗 类比讲解：以“汽车”为例

操作系统中的应用举例：

操作系统的实现（ Operating System Implementation）

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设计一个操作系统，就是规划、实现并管理一整套让计算机运行起来的机制。它要确保计算机系统既能完成任务，又安全、高效、可靠地服务用户。

设计目标（Design Goals）

设计操作系统时，首先要回答一个根本问题：

❓“我们要设计的系统到底是个什么样子？”

这看起来简单，但其实是整个操作系统设计中最重要的第一步。

第一个问题：定义目标与规格（Defining Goals & Specification）

设计者必须先确定操作系统将用于什么样的场景。这就包括两个关键考虑：

1️⃣ 选择硬件（Choice of Hardware）

不同的硬件平台需要不同的操作系统设计。
例如：

• 嵌入式设备（如智能手表） vs. 台式电脑

• 单核 CPU vs. 多核服务器

• 没有图形显示 vs. 需要 GUI 图形界面

你不能用运行 Windows 的方式去设计路由器里的操作系统。

2️⃣ 选择系统类型（Type of System）

系统类型也会影响设计：

• 单用户 vs. 多用户

• 单任务 vs. 多任务

• 实时系统（Real-Time OS）

• 网络操作系统（支持远程通信）

• 嵌入式操作系统（功能受限，但需高效）

举例：设计给航空导航设备使用的操作系统，必须“实时响应”，这比设计桌面系统更严格。

当硬件和系统类型确定后，设计者面临的挑战才刚刚开始，因为：

高层次设计目标可以清楚说明，但具体需求往往很难完全预料。

例如：

• 用户对“响应快”的期望到底多快才算快？

• 什么程度的安全性是“足够安全”？

• 系统能承受多高的负载才算“可扩展”？

这就需要权衡——性能、安全性、用户体验往往不能同时最大化。

设计需求（Requirements）

操作系统的设计目标通常分为两大类：

1️⃣ User Goals（用户目标）

操作系统必须为用户提供什么？

•  易用性（Ease of Use）：界面友好、命令易懂

•  响应迅速（Fast Response Time）

•  安全性高（Security）

•  灵活适配不同需求：程序运行、文件处理、游戏、开发等

 用户不在乎技术实现，只关心“好不好用”。

2️⃣ System Goals（系统目标）

操作系统自身在管理资源时追求什么？

•  高效率（Efficiency）：尽可能减少资源浪费

•  可扩展性（Scalability）：用户多了、程序多了也能稳定运行

•  可维护性（Maintainability）：程序员能持续维护、更新

•  稳定可靠（Robustness）：不能一崩就死机，容错强

 系统目标更多是面向“系统设计者”与“后台管理者”的角度。

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策略与机制（Mechanisms vs. Policies）

在设计操作系统时，我们经常要回答两个层次的问题：

问题类型	问题本质	举例
Policy（策略）	做什么？	哪个进程先使用 CPU？
Mechanism（机制）	怎么做？	操作系统如何切换进程？

什么是机制（Mechanism）？

机制 = 技术手段、工具本身

是操作系统提供的具体操作方法或功能模块。
比如说：

• 如何中断一个正在运行的进程？

• 如何实现内存的分配与回收？

• 如何调度设备访问？

 它解决的是：“我们是否能够实现某种行为”。

什么是策略（Policy）？

策略 = 行为的选择规则

是对“使用什么规则来安排资源和行为”的决策问题。

比如说：

• 哪个进程应该先运行？哪个晚点运行？

• 哪些用户能访问这个文件？

• 哪些数据应该保存在缓存中？

它解决的是：“我们该选择做什么”。

为什么要分开机制与策略？ 

操作系统设计中的一个核心原则是：将策略与机制分离（Separation of Policy and Mechanism）

原因非常现实：

✔️ 灵活性更高：

机制是固定的底层实现，而策略可能会根据场景、用户需求不断变化。

例子：

• 你可以更换“调度策略”来让系统更适合服务器、或更适合桌面使用。

• 机制不变，只换策略，就能应对不同需求。

✔️ 更容易维护与升级：

策略变了，不需要改机制，结构更清晰，耦合更低。

 

🚗 类比讲解：以“汽车”为例

现在，我们用一个通俗易懂的现实类比来说明两者的区别：

 你开车：

• 机制 Mechanism：油门、刹车、方向盘、档位……这些是汽车提供的“工具”和“功能”。

• 策略 Policy：你决定在什么时机加速、减速、转弯，甚至走哪条路线。

项目	类比操作系统
油门 / 刹车 / 方向盘	系统机制（Mechanism）
“在转弯前减速” / “选择高速还是国道”	策略（Policy）

 

操作系统中的应用举例：

场景	策略（Policy）	机制（Mechanism）
进程调度	选择哪个进程先运行（如先来先服务、优先级调度）	保存/恢复进程上下文，切换 CPU
内存管理	哪些页面换出、保留？（如 LRU、FIFO）	页面换入换出、页表更新等功能
安全控制	谁能访问哪些资源？	检查权限、拒绝访问等功能实现

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操作系统的实现（ Operating System Implementation）

设计一个操作系统就像画一张图纸，而实现（Implementation）就是把图纸真正变成能运行的系统——即写代码、编译、测试、部署！

操作系统的实现过程

设计之后，开发者要根据设计思路，把操作系统的功能一个一个写出来：

涉及内容包括：

• 管理 CPU：比如实现进程切换机制

• 管理内存：比如内存分配、分页机制

• 文件系统：创建、打开、写入、删除文件的代码

• 驱动程序：控制键盘、硬盘、显示器等设备

• 用户接口：提供图形或命令行交互界面

 简单说，每一个你能操作的“功能”，都是背后程序员写出来的系统代码的效果。

传统实现方式：汇编语言（Assembly Language）

在早期计算机时代：

• 操作系统都是用汇编语言（Assembly）写的；

• 汇编语言非常接近机器代码，运行速度快，控制精细；

• 但也非常复杂、难读、难维护，不适合写大型系统。

类比：用拼图画一幅画，很精细但很耗时间。

现代实现方式：高级语言（High-Level Languages）

现在的操作系统，通常用 高级语言（High-Level Language）来实现，尤其是：

C 和 C++

•  C 语言：靠近硬件、性能好，控制力强 → 是最主流的选择

•  C++：支持面向对象、结构更清晰，部分系统模块使用

 为什么用 C / C++？

优势	说明
易读性高	程序员更容易理解和维护代码
抽象能力强	可以用函数、结构体、类等构建复杂逻辑
性能接近汇编	编译后运行效率高，适合写底层系统
可移植性好	同一套代码可以移植到不同硬件平台上运行（只需改一小部分）

操作系统	实现语言
UNIX	最初大部分用 C 写的
Linux	主要用 C（少量汇编）
Windows NT	C + C++ + 少量汇编
macOS / iOS 核心（XNU）	C + C++ + Objective-C