3 天,手撸个自己的操作系统!| 极客时间
操作系统(OS)本身就是面试的必考知识,尤其是面试后端开发、嵌入式开发等岗位,更是如此。
今天想说说,我当初是怎么攻克操作系统的?
当年我也有这样的心态,在还没开始学操作系统的时候,总感觉这玩意会很难,迟迟不敢迈出第一步。
这最困难的一步我还是踏出去了,我在 B 站看了清华大学和哈工大的操作系统课程,以及刷了操作系统一些经典书籍,功夫不负有心人嘛,很快我就掌握了操作系统的基本理论知识。
但是,我和很多人认为的一样,觉得操作系统单纯学个理论,很容易忘记,没有实践的话感觉学的好虚。
实践才能见真知,所以最好的方式就是手撸一个操作系统。
说起来容易,但是手撸操作系统这件事我们真的能做到吗?当然可以,如果我们只是实现一个「微型」的操作系统的话,那还是可以实现的。具体怎么做呢?
都说操作系统(简称 OS ),是程序员的三大浪漫之一,我们经常会用“灵魂、大脑、内核、基石”等词来形容它,足以见得它对计算机而言有多么重要。最近,我用 3 天的时间,自己写了个操作系统。
在手写 OS 的过程中,之前遇到的很多和操作系统密切相关的疑难杂症,都找到了答案。比如:
内存为什么会泄漏、服务进程为什么会 dang 掉、文件为什么打不开?
MySQL 的 IO 性能还能不能再提升?
网络服务为什么会掉线?模式靠什么技术支撑?
Node.js 的 I/O 模型长什么模样?
除此之外,在做高性能服务端编程的时候,经常会用到内存、进程、线程、IO 相关的知识。
“学好操作系统,能直接解决你在工作中遇到的这些问题”。就这一个原因,它就已经是每个程序员必须好好修炼的“基本功”了。
事实也确实如此,作为每个程序员必须好好修炼的“基本功”,它能直接解决我们在工作中的很多疑难杂症,比如做高性能服务端编程时,经常会用到内存、进程、线程、IO 等相关知识。
而且,我一直认为,花大量时间研究 OS 这些底层知识,是很有必要的,虽然短期看不到效果,但却是从 0 到 1 必然的过程。
学懂了这些基本功,再去琢磨那些被“追捧”的流行技术啊、demo 啊,都能轻松地理解背后高级的设计,理解系统中的性能瓶颈。
我也很喜欢研究操作系统,作为程序员的三大浪漫之一,它虽然枯燥无聊,却又存在无限可能。对技术人来说,即便为此消耗了大把时光,费尽心力,也是值得。
正如我的偶像“计算机鬼才”彭东所说:"生活可以一地鸡毛,但操作系统却是心中的光"。
彭东在操作系统上的成就,让我颇为佩服,他被称为“计算机鬼才”,是有原因的。非科班出身,却凭借惊人的意志与热爱,自学微机原理,编程语言,数据结构与算法,翻遍了操作系统和硬件书籍,独立开发了 x86 平台下的 LMOS 和 arm 平台下的 LMOSEM 两个操作系统。
LMOS 现在已经发布 8 个测试版本,是多进程、多线程、多 CPU、支持虚拟内存的全 64 位操作系统内核,代码量足足有 10 万多行。如此浩大的项目,没点“程序员的浪漫”精神,想必很难坚持下来。
他的书《深度探索嵌入式操作系统:从零开始设计、架构和开发》也曾给了我很多启发。
数十年深入研究操作系统,他对 Linux、BSD、SunOS 等开源操作系统,以及 Windows 的 NT 内核都非常熟悉,在编译器,数据库等基础架构方面也颇有研究。
可以说,在操作系统领域,他是当之无愧的 KOL,非常有发言权。这条路上,会有哪些难点和阻碍,会踩哪些坑,他都了如指掌。
所以,去年听说彭东在极客时间写了一个《操作系统实战 45 讲》专栏,非常意外,当时我第一时间就订阅了。
最近又开始二刷了,再学一遍还是有很多收获。最让我惊喜的是,彭东把“学操作系统不要死看书”的主张贯穿到专栏里,通过配套实验带你完成一个 OS,当你真的动手写了一个 OS 的时候,对操作系统的理解会是质的飞跃。
下图是彭东梳理的「简化版操作系统知识体系」,图中的每一小块,都会随着课程的进行,逐一展开,建议先马后看。
操作系统简化知识体系图
他会带你从 0 到 1,一步步实现一个基于 x86 平台的 64 位多进程的操作系统—— Cosmos,你将拥有一个属于自己的操作系统内核,对 Linux 内核的理解也会更加透彻。
跟着学下来,操作系统架构设计能力会大幅提升,还可以学到系统级别的软件编程技巧,这对我们拓展技术深度和广度是大有裨益的。
最重要的是,求职面试也会成为加分项,自己动手写过操作系统,真有“飘”的资本,简历自然脱颖而出。
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记得当时这门课程上线两个月,订阅量就超 10000 订阅了,现在已经 65000 多人学习了,这个结果其实并不意外,毕竟,业界大牛手把手带着写 OS 的机会实在太难得。
我在追更的同时,也不禁佩服,彭东海量的知识储备和极佳的表达能力。要知道,越是底层的知识越不好讲透:要用通俗易懂的语言,把复杂的操作系统“讲”出来;要注意细节与重点的把握和梳理;要把复杂的内容,交付给各个不同思想层次,不同思维方式的人。
随便截了几个评价,供参考:
不得不说,彭东太会讲了,不仅把枯燥的原理讲得明明白白,讲述中还充满魔力,吸引我深挖下去,这门课还有几个不得不提的特色。
为了方便“计算机小白”理解,快速上手实操,课程中加入了大量的图示和详细的代码注释,足以看出彭东的用心,也能感受到他的“内功深厚”。
比如下面的虚拟内存数据结构设计图,计算机结构示意图,文件系统框架图和进程状态切换流程图等,篇幅限制,这里仅是冰山一角,专栏中还有大量图示和知识导图。
再比如,课程中的代码示例,这个详细程度的代码注释,是比较少见的。
摘自《操作系统实战 45 讲》第 9 讲
瞧一瞧 -Linux 的自旋锁和信号量如何实现?
在介绍每个内核组件实现时,都会先讲清原理,再带你基于设计理解去动手实现;然后与 Linux 内核的实现做前后对比。既能边学边练,又能帮你从“上帝视角”审视 Linux 内核。
专栏中的每一讲,都会匹配可以工作的代码,传在 gitee 上;可以跟着课程一步步实现,也可以直接使用每节课提供的代码进行调试,直到最终实现一个操作系统。
实际上,动手“run”起来,哪怕只是读和 clone 老师的代码,也会对操作系统有更深一层的理解。
Cosmos 系统运行演示
为了把课程内容实践得更好,最近彭东还整了个“大计划” —— 筹备建立一个开源社区,把 Cosmos 运作成一个开源项目,专栏的读者都有望优先成为第一批 contributer。
为抛弃历史包袱,未来完整的 Cosmos 会同时开源系统和 CPU 源码,还会考虑根据需求定制芯片。据彭东透露,他邀请到了非常优秀的芯片架构师,来根据操作系统架构特点设计 CPU,想想就很“浪漫”了!
此外,专栏读者都可以免费加入彭东的「操作系统交流群」,他经常在群里答疑解惑,这里还有很多技术内功深厚的大佬,相互交流探讨,光看聊天记录,都能学到不少。
订阅后在课程详情页,点击链接即可入群
编辑小姐姐也经常在群里出没,鼓励督促,可以说是伴随式的学习了,我加过的交流群不少,这个群确实非常难得,大佬云集,知识密度高,气氛活跃,学习体验也很好。
说了这么多,来看看课程各章节的知识点和精彩看点吧。
再强调一点:
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都说程序员 35 岁是个坎,但其实,有坎的是不上不下、“半瓶水”的人。只要扎实基础,勤修内功,那么无论是上层开发,还是理解前沿技术,都等于加了天然 buff。
听说最近《操作系统实战 45 讲》的彭东老师又发起了新一轮的“手写 OS 打卡行动”,60 天带你实现自己的操作系统,订阅专栏即可免费参与。
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