教你設計一個簡單的系統：自己寫操作系統難嗎

先來介紹一下我自己。我是Intel 傲騰項目開發者之一，也是《深度探索嵌入式操作系統》這本書的作者。

我曾經為Intel做過內核層面的開發工作，也對Linux、BSD、SunOS等開源操作系統，還有Windows的NT內核很熟悉。這十幾年來，我一直專註於操作系統內核研發。

LMOS（基於x86平台支持多進程、多CPU、虛擬化等技術的全64位操作系統內核）跟LMOSEM（基於ARM處理器平台的嵌入式操作系統內核）是我獨立開發的兩套全新的操作系統內核，它們的代碼規模都達到了數十萬行，並且現在仍在更新。

當時是基於興趣和學習的目的開始了這兩套操作系統，在這個過程中，我遇到了各種各樣的技術問題，解決了諸多疑難雜症，總結了大量的開發操作系統的方法和經驗。非常希望能在這個專欄與你一起交流。

每個工程師都有必要學好操作系統嗎？

經常會有同學問我這樣一些問題：我是一個做應用層開發的工程師，有必要學習操作系統嗎？我的日常工作中，好像用不到什麼深奧的操作系統內核知識，而且大學時已經學過了操作系統課程，還有必要再學嗎？

對於這些問題，我的答案當然是「有必要」。至於理由么，請聽我慢慢為你道來。

你是否也跟我一樣，曾經在一個數千萬行代碼的大項目中茫然失措？一次次徘徊在內存為什麼會泄漏、服務進程為什麼會dang掉、文件為什麼打不開等一系列「基礎」問題的漩渦中？

你是否驚嘆於Nginx的高並發性？是不是感覺Golang的垃圾回收器真的很垃圾？除了這樣的感嘆，你也許還好奇過這樣一些問題：MySQL的I/O性能還能不能再提升？網路服務為什麼會掉線？Redis中經典的Reactor設計模式靠什麼技術支撐？Node.js 的 I/O 模型長什麼模樣……

如果你也追問過上面的這些問題，那這會兒我也差不多可以給充滿求知慾的你指一條「明路」了。這些都將在後面的學習中，找到答案。

為什麼說操作系統很重要？

首先我們都知道，操作系統是所有軟體的基礎，所有上層軟體都要依賴於操作系統提供的各種機制，才能運行。

而我在工作中也認識了很多技術大牛，根據我的觀察，他們的基本功往往十分紮實，這對他們的架構視野、技術成長都十分有幫助。

如果你是後端工程師，在做高性能服務端編程的時候，內存、進程、線程、I/O相關的知識就會經常用到。還有，在做一些前端層面的性能調優時，操作系統相關的一些知識更是必不可少。

除了Web開發，做高性能計算超級計算機的時候，操作系統內核相關的開發能力也至關重要。其實，即使單純的操作系統內核相關的開發能力，對於工程師來說也是繞不過的基本功。

對於運維、測試同學，你要維護和測試的任何產品，其實是基於操作系統的。比如給服務配置多大的內存、多大的緩存空間？怎樣根據操作系統給出的信息，判斷伺服器的問題出現在哪裡。隨著你對操作系統的深入理解和掌握，你才能透過現象看本質，排查監控思路也會更開闊。

除了工作，操作系統離我們的生活也並不遙遠，甚至可以說是息息相關。要知道，操作系統其實不僅僅局限於手機和電腦，你的智能手錶、機頂盒、路由器，甚至各種家電中都運行著各種各樣的操作系統。

可以說，操作系統作為計算機的靈魂，眼前的工作、日常的生活，甚至這個行業未來的「詩與遠方」都離不開它。

操作系統很難，我能學得會么？

但即使是大學時期就學過操作系統的同學，也可能會感覺學得雲里霧裡。更別說非科班的一些人，難度更甚，甚至高不可攀。那為什麼我這麼有信心，給你講好操作系統這門課呢？這還要從我自己的學習經歷說起。

跟許多人一樣，我看的第一本C教程就是那本「老譚C」。看了之後，除了能寫出那個家喻戶曉的「hello world」程序，其它什麼也幹不了。接著我又開始折騰C++、Java，結果如出一轍，還是只能寫個「hello world」程序。

還好我有互聯網，它讓我發現了數據結構與演算法，經過一番學習，後來我總算可以寫一些小功能的軟體了，但或許那根本就稱不上功能。既然如此，我就繼續折騰，繼續學習微機原理、彙編語言這些內容。

最後我終於發現，操作系統才是我最想寫的軟體。我像著了魔一樣，一切操作系統、硬體層相關的書籍都找來看。

有了這麼多的「輸入」，我就想啊，既然是寫操作系統，為什麼不能把這些想法用代碼實現出來，放在真正的計算機上驗證一下呢？

LMOS的雛形至此誕生。從第一行引導代碼開始，一次又一次代碼重構，一次又一次地面對莫名的死機而絕望，倒逼我不斷改進，最終才有了現在的LMOS。因為一個人從零開始，獨立開發操作系統這種行為有點瘋狂，我索性就用LMOS（liberty，madness，operating，system）來命名了我的操作系統。

經過我這幾年的獨立開發，現在LMOS已經發布了8個測試版本。先後從32位單CPU架構發展到64位多CPU架構，現在的LMOS已經是多進程、多線程、多CPU、支持虛擬內存的x86_64體系下的全64位操作系統內核，代碼量已經有10萬多行了。

後來，我又沒忍住自己的好奇心，寫了個嵌入式操作系統——LMOSEM。由於有了先前的功底，加上ARM體系很簡單，所以我再學習和實現嵌入式操作系統時，就感覺駕輕就熟了。

經過跋山涉水，我再回頭來看，很容易就發現了為什麼操作系統很難學。

操作系統需要你有大量的知識儲備，但是現在大多的課程、學習資料，往往都是根據目前已有的一些操作系統，做局部解讀。所以，我們學的時候，前後的知識是無法串聯在一起的。結果就會越看越迷惑，不去查吧，看不懂，再去搜索又加重了學習負擔，最後只能遺憾放棄。

那怎樣學習操作系統才是最高效的呢？理論基礎是要補充的，但相對來說，實踐更為重要。我認為，千里之行還得始於足下。

所以，通過這個專欄，我會帶你從無到有實現一個自己的操作系統。

我會使用大量的插圖代碼和風趣幽默的段子，來幫助你更好地理解操作系統內核的本質。同時在介紹每個內核組件實現時，都會先給你說明白為什麼，帶著你基於設計理解去動手實現；然後，再給你詳細描述Linux內核對應的實現，做前後對比。這樣既能讓你邊學邊練，又能幫你從「上帝視角」審視Linux內核。

我們課程怎麼安排的？

操作系統作為計算機王國的權力中樞，我們的課程就是講解如何實現它。

為此，我們將從了解計算機王國的資源開始，如CPU、MMU、內存和Cache。其次要為這個權力中樞設計基本法，即各種同步機制，如信號量與自旋鎖。接著進行奪權，從固件程序的手中搶過計算機並進行初始化，其中包含初始化CPU、內存、中斷、顯示等。

然後，開始建設中樞的各級部門，它們分別是內存管理部門、進程管理部門、I/O管理部門、文件管理部門、通信管理部門。最後將這些部門組合在一起，就形成了計算機王國的權力中樞——操作系統。

我們的課程就是按照上述邏輯，依次為你講解這些部門的實現過程和細節。每節課都配有可以工作的代碼，讓你能跟著課程一步步實現。你也可以直接使用我提供的代碼一步步調試，直到最終實現一個基於x86平台的64位多進程的操作系統——Cosmos。

你能獲得什麼？

走這樣一條「明路」，一步一個腳印，最終你會到達這樣一個目的地：擁有一個屬於自己的操作系統內核，同時收穫對Linux內核更深入的理解。

學完這門課，你會明顯提升操作系統架構設計能力，並且可以學會系統級別的軟體編程技巧。我相信，這對你拓展技術深度和廣度是大有裨益的。之後你在日常開發中遇到問題的時候，就可以嘗試用更多維度的能力去解決問題了。

同時，由於操作系統內核是有核心競爭力的高技術含量軟體，這能給你職業生涯的成長帶來長遠的幫助。如今，在任何一家中大型互聯網公司都使用大量的Linux伺服器。

操作系統相關的內容，已經成為你漲薪、晉陞的必考項，比如 Linux 內核相關的技術，中斷、I/O、網路、多線程、並發、性能、內存管理、系統穩定性、文件系統、容器和虛擬化等等，這些核心知識都來源於操作系統。

而跳出個人，從大局觀出發的話，計算機系統作為20世紀以來人類最偉大的發明之一，已經深入人們生活的方方面面，而計算機作為國家級戰略基礎軟體，卻受制於人，這關係到整個國家的信息安全，也關係到互聯網信息行業以及其它相關基礎行業的前途和未來。

而要改變這一困局，就要從培養技術人才開始。對於我們工程師來說，樹高葉茂，繫於根深，只有不斷升級自己的認知，才能讓你的技術之路行穩致遠。

下面，我給出一個簡化的操作系統知識體系圖，也是後面課程涉及到的所有知識點。儘管圖中只是最簡短的一些辭彙，但隨著課程的展開，你會發現圖中的每一小塊，都猶如一片汪洋。

現在讓我們一起帶著好奇，帶著夢想，向星辰大海進發！