如何從零開始自制作業系統？

MIT 6.828 ，YYDS！

國內不少大學，老師講課太水，就是讓你背概念。 但是作業系統這門課 很！重！要！

在這說下我是怎麽學好這門課的吧。

當時看了不少網課，然後自己跟著教程」抄了「一個 mini os。

學習作業系統一定不要去死看書，最好跟著那種有配套實驗完成一個os的課程或者書。

就像這種：

學習電腦一定不要想著速成，要下苦功夫，去啃那些經典書和源碼，然後自己動手寫，我大學整理了一套電腦必讀的經典書籍，對於CS學習的同學幫助非常大，且十分系統，現在免費分享給大家：

比如我當時看完了網易雲課堂上李治軍老師的課程，他的課程最大的特點就是理論結合實踐，比如講執行緒切換，那就會拿出linux 0.11的程式碼帶我們一起去看具體的實作，棧、上下文、寄存器是如何切換的。

接下來給大家講講我推薦的作業系統學習方法吧：

實際上作業系統發展到今天，已經非常復雜了，像 Windows、Linux 任意一個都是幾千萬行程式碼級別，想靠個人完全搞懂，幾乎是不可能的了。

所以需要先明確一下我們學習的目的，不同的學習目的，適用不同的方法，這裏我僅僅列一下作為一名開發人員，我們掌握 OS 的幾種目標：

第一種：

知曉 OS 基本概念： 看線上課程原理部份的影片或者看【現代作業系統】之類的書，可大致知道OS的概念；

第二種：

理解OS基本原理: 在1的基礎上，完成與 OS 相關的課程練習題，可進一步理解 OS 基本原理，練習題可以參考學堂線上清華OS課程的練習題：

第三種：

掌握 OS 部份核心功能實作（細節）：在 2 的基礎上，能夠透過編程完成類似 xv6 的幾個 lab ，

比如 xv6 就會涉及以下模組：

每個模組程式碼量都不會很多，但是麻雀雖小，五臟俱全，透過自己動手實作 thread、spinlock、semaphore 這些東西，會讓你理解更加深刻。

當然，在往上走就是去研究最新 Linux Kernel，研究一些子模組了，有些還需要閱讀最新的 System 領體論文。

最新的 Linux Kernel 裏有很多新的演算法、研究結果不斷的加入。

當然，這就超出了我所能掌握的範疇了哈哈。

不過說實話，如果你還在校大二大三，我真的墻裂建議你去做一些國外的電腦 lab，比如OS、Network。

等到畢業了，幾乎就不太可能從頭開始系統學習那些基礎知識了，除非你能自己閉關兩三年，啥也不做，待在一個地方專心修煉。

好好珍惜在學校大把的空閑時間，做一些讓在專業上讓自己受益一生的事情。

這裏我可以列舉幾個，國內不少喜歡 System 的同學都會去跟 MIT、CMU、UCB 這些電腦名校的課程。

比如 MIT 的 6.824 Distributed System 、 6.830 Database Systems 、 MIT 6.828 Operating System Engineering .....

小北也搜集了很多作業系統硬核的實驗和lab，大家可以看下這篇文章，結合lab學習一定會事半功倍：

xv6

6.828 就是今天要介紹的主角：

MIT6.828： Operating System Engineering

官網主頁：https:// pdos.csail.mit.edu/6.82 8/2020/index.html

在官網，包含了Schedule、Labs、xv6-book 等等。

尤其是 xv6-lab 包含了作業系統中最為核心的模組：

每個模組都搭好了框架，留下最為核心的部份給我們去實作，你可以把這個看做一種「完形填空」：

如果想看影片的話可以去 Youtube 或者 B站：

MIT 6.828: Operating System Engineering ： https://www. bilibili.com/video/BV1p x411E7ST

ucore

如果你想找一個國內的類似 xv6 的 lab，那麽這裏推薦清華大學 ucore OS。

它其實也是起源於MIT CSAIL PDOS課題組開發的 xv6 & jos、哈佛大學開發的 OS161教學作業系統、以及Linux-2.4 內核。

然後清華的老師在這個基礎上，增加、調整了一些程式碼，為清華大學 OS 課程設計的一個lab。

另外，這個課程的很多資料、文件都是中文的，還有清華老師的配套影片課程。

清華大學-作業系統：https://www. xuetangx.com/course/THU 08091000267/5883104

順便推薦幾本經典的書籍吧:

另外還有諸如【現代作業系統】、【Operating Systems: Three Easy Pieces】之類的。

尤其是 【Operating Systems: Three Easy Pieces】，閱讀體驗比較好，討論問題由淺入深。

而書名也是很有意思，Three Easy Piece是為了致敬費曼的關於物理學的書籍：【Six Easy Pieces: Essentials Of Physics Explained By Its Most Brilliant Teacher】。

用作者的話說，作業系統只有物理學一半難，那就叫 【Three Easy Pieces】好了。

Three 也是指代本書三個部份：

作業系統這門課，易學難精，但是掌握到日常編程和面試夠用還是比較容易的。

那麽畢業生或者說你去準備校招面試應該達到怎樣的水平:

其中記憶體、行程、IO 是重點，這幾塊也是和編程關系最密切的，這裏推薦先挑本偏理論的書看看，了解作業系統的全貌：

不必全看，兩者任選一本都不錯，我自己是仔細看了第二本，因為是我們教材，同時挑著看了現代作業系統部份章節。

作業系統包含的知識

這部份看完你應該對下面這些話題有一個清晰認知了：

但是這還不夠，看完偏理論的書，當面試官問「行程和執行緒的區別」時。

大概只能回答出「行程是資源分配的最小單位，執行緒是CPU排程的最小單位，balabala...」這樣正確卻普通的答案。

但是如果你了解 Linux 內核的實作，就可以實際出發，講講 Linux 中行程和執行緒是如何建立的，區別在哪裏。

比如在 Linux 中行程和執行緒實際上都是用一個結構體 task_struct來表示一個執行任務的實體。行程建立呼叫fork 系統呼叫，而執行緒建立則是 pthread_create 方法，但是這兩個方法最終都會呼叫到 do_fork 來做具體的建立操作 ，區別就在於傳入的參數不同。

深究下去，你會發現 Linux 實作執行緒的方式簡直太巧妙了，實際上根本沒有 執行緒 ，它建立的就是行程，只不過透過參數指定多個行程之間共享某些資源（如虛擬記憶體、頁表、檔描述符等），函數呼叫棧、寄存器等執行緒私有數據則獨立。

這樣是不是非常符合理論書上的定義：同一行程內的多個執行緒共享該行程的資源，但執行緒並不擁有資源，只是使用他們。

這也算符合 Unix 的哲學了— KISS（Keep It Simple, Stupid）。

但是在其它提供了專門執行緒支持的系統中，則會在行程控制表（PCB）中增加一個包含指向該行程所有執行緒的指標，然後再每個執行緒中再去包含自己獨占的資源。

這算是非常正統的實作方式了，比如 Windows 就是這樣幹的。

但是相比之下 Linux 就顯得取巧很多，也很簡潔。

對於行程、執行緒這塊你還可以把 fork、vfork、clone 、pthread_create 這些模組關系徹底搞清楚，對你理解 Linux 下的行程實作有非常大的幫助。

說了這麽多，就是想強調一下理論聯系實際的重要性。

特別是作業系統，最好的實踐就是看下 Linux 內核是怎麽實作的，當然不是叫你直接去啃 Linux 源碼，那不是一般人能掌握的。

最好的方式是看書，書的脈絡給你理得很清晰。

書籍推薦：

這本書重點關註「第 3 章行程管理」、「第 5 章系統呼叫」、「第12章記憶體管理」、「第13章虛擬檔案系統」、「第 15 章行程地址空間」

這些章節屬於作業系統核心部份，其它如中斷處理、塊 IO、器材管理根據你自己興趣選擇看下就可以了。

基本上做到這裏，作業系統就沒什麽大問題了。

小北也搜集了很多作業系統硬核的實驗和lab，大家可以去這篇文章下載，結合lab學習一定會事半功倍：

自制OS

另外，如果你還想自己寫一個（模仿） mini os，那麽你需要一些前置依賴知識，否則估計會被很多硬件、組譯知識勸退：

這裏只推薦一本我看過的書【作業系統真象還原】，作者實在太好了，所有需要前置依賴的部份他都會簡單的寫個教程，照著這本書就能擼一個屬於自己的 os。

另外，在這裏也送大家一本幫助我拿到BAT 等一線大廠 offer 的演算法筆記，是一位阿裏大神寫的，對於演算法薄弱或者需要提高的同學都十分受用，演算法一定是電腦學習的重中之重：

覺得不錯的話，記得幫我 @編程指北 點個贊喲，祝大家新年快樂！