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[26386] 2021-03-08_计算机科班学习OS的正确姿势！

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2021-03-08_计算机科班学习OS的正确姿势！ 计 算 机 科 班 学 习   O S   的 正 确 姿 势 ！ L i n u x 学 习   2 0 2 1 - 0 3 - 0 8 以 下 文 章 来 源 于 编 程 指 北   ， 作 者 编 程 指 北 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： 编 程 指 北 编 程 指 北 大 家 好 ， 我 是 小 北 。 今 天 单 独 讨 论 下 ， 如 何 学 习 操 作 系 统 这 个 话 题 。 操 作 系 统 发 展 到 今 天 ， 已 经 非 常 复 杂 了 ， 像   W i n d o w s 、 L i n u x   任 意 一 个 都 是 几 千 万 行 代 码 级 别 ， 想 靠 个 人 完 全 搞 懂 ， 几 乎 是 不 可 能 的 了 。 所 以 需 要 先 明 确 一 下 我 们 学 习 的 目 的 ， 不 同 的 学 习 目 的 ， 适 用 不 同 的 方 法 ， 这 里 我 仅 仅 列 一 下 作 为 一 名 开 发 人 员 ， 我 们 掌 握   O S   的 几 种 目 标 ： 第 一 种 ： 第 一 种 ： 知 晓   O S   基 本 概 念 ： 看 在 线 课 程 原 理 部 分 的 视 频 或 者 看 《 现 代 操 作 系 统 》 之 类 的 书 ， 可 大 致 知 道 O S 的 概 念 ； 第 二 种 ： 第 二 种 ： 理 解 O S 基 本 原 理 :   在 1 的 基 础 上 ， 完 成 与   O S   相 关 的 课 程 练 习 题 ， 可 进 一 步 理 解   O S   基 本 原 理 ， 练 习 题 可 以 参 考 学 堂 在 线 清 华 O S 课 程 的 练 习 题 ： 编 程 指 北 编 程 指 北   . 编 程 学 习 之 路 的 好 帮 手 、 指 南 针 ~
第 三 种 ： 第 三 种 ： 掌 握   O S   部 分 核 心 功 能 实 现 （ 细 节 ） ： 在   2   的 基 础 上 ， 能 够 通 过 编 程 完 成 类 似     x v 6   的 几 个   l a b   ， 比 如   x v 6   就 会 涉 及 以 下 模 块 ： B o o t i n g   a   P C M e m o r y   M a n a g e m e n t M u l t i t a s k i n g F i l e   s y s t e m ,   S p a w n   a n d   S h e l l N e t w o r k   D r i v e r 每 个 模 块 代 码 量 都 不 会 很 多 ， 但 是 麻 雀 虽 小 ， 五 脏 俱 全 ， 通 过 自 己 动 手 实 现   t h r e a d 、 s p i n l o c k 、 s e m a p h o r e   这 些 东 西 ， 会 让 你 理 解 更 加 深 刻 。 当 然 ， 在 往 上 走 就 是 去 研 究 最 新   L i n u x   K e r n e l ， 研 究 一 些 子 模 块 了 ， 有 些 还 需 要 阅 读 最 新 的   S y s t e m   领 域 论 文 。 最 新 的   L i n u x   K e r n e l     里 有 很 多 新 的 算 法 、 研 究 结 果 不 断 的 加 入 。 当 然 ， 这 就 超 出 了 我 所 能 掌 握 的 范 畴 了 哈 哈 。 不 过 说 实 话 ， 如 果 你 还 在 校 大 二 大 三 ， 我 真 的 墙 裂 建 议 你 去 做 一 些 国 外 的 计 算 机   l a b ， 比 如 O S 、 N e t w o r k 。 等 到 毕 业 了 ， 几 乎 就 不 太 可 能 从 头 开 始 系 统 学 习 那 些 基 础 知 识 了 ， 除 非 你 能 自 己 闭 关 两 三 年 ， 啥 也 不 做 ， 待 在 一 个 地 方 专 心 修 炼 。 好 好 珍 惜 在 学 校 大 把 的 空 闲 时 间 ， 做 一 些 让 在 专 业 上 让 自 己 受 益 一 生 的 事 情 。 这 里 我 可 以 列 举 几 个 ， 国 内 不 少 喜 欢   S y s t e m   的 同 学 都 会 去 跟   M I T 、 C M U 、 U C B   这 些 计 算 机 名 校 的 课 程 。 比 如   M I T   的   6 . 8 2 4   D i s t r i b u t e d   S y s t e m 、 6 . 8 3 0   D a t a b a s e   S y s t e m s 、 M I T   6 . 8 2 8   O p e r a t i n g   S y s t e m   E n g i n e e r i n g   . . . . . x v 6 6 . 8 2 8   就 是 今 天 要 介 绍 的 主 角 ： M I T 6 . 8 2 8 ： O p e r a t i n g   S y s t e m   E n g i n e e r i n g 官 网 主 页 ： 在 官 网 ， 包 含 了 S c h e d u l e 、 L a b s 、 x v 6 - b o o k   等 等 。 尤 其 是   x v 6 - l a b   包 含 了 操 作 系 统 中 最 为 核 心 的 模 块 ： h t t p s : / / p d o s . c s a i l . m i t . e d u / 6 . 8 2 8 / 2 0 2 0 / i n d e x . h t m l
每 个 模 块 都 搭 好 了 框 架 ， 留 下 最 为 核 心 的 部 分 给 我 们 去 实 现 ， 你 可 以 把 这 个 看 做 一 种 「 完 形 填 空 」 ： S y s t e m   C a l l 、 P a g e   t a b l e s T r a p s L a z y   a l l o c a t i o n 、 C o p y   O n - W r i t e M u l t i t h r e a d i n g 、 L o c k F i l e   S y s t e m 、 m m p a n e t w o r k   d r i v e r 如 果 想 看 视 频 的 话 可 以 去   Y o u t u b e   或 者   B 站 ： M I T   6 . 8 2 8 :   O p e r a t i n g   S y s t e m   E n g i n e e r i n g   ： u c o r e 如 果 你 想 找 一 个 国 内 的 类 似   x v 6   的   l a b ， 那 么 这 里 推 荐 清 华 大 学   u c o r e   O S 。 它 其 实 也 是 起 源 于 M I T   C S A I L   P D O S 课 题 组 开 发 的   x v 6   &   j o s 、 哈 佛 大 学 开 发 的   O S 1 6 1 教 学 操 作 系 统 、 以 及 L i n u x - 2 . 4   内 核 。 然 后 清 华 的 老 师 在 这 个 基 础 上 ， 增 加 、 调 整 了 一 些 代 码 ， 为 清 华 大 学   O S   课 程 设 计 的 一 个 l a b 。 另 外 ， 这 个 课 程 的 很 多 资 料 、 文 档 都 是 中 文 的 ， 还 有 清 华 老 师 的 配 套 视 频 课 程 。 清 华 大 学 - 操 作 系 统 ： 顺 便 推 荐 几 本 经 典 的 书 籍 吧 : h t t p s : / / w w w . b i l i b i l i . c o m / v i d e o / B V 1 p x 4 1 1 E 7 S T h t t p s : / / w w w . x u e t a n g x . c o m / c o u r s e / T H U 0 8 0 9 1 0 0 0 2 6 7 / 5 8 8 3 1 0 4
书 名 （ 英 文 ） ： O p e r a t i n g   S y s t e m s   :   D e s i g n   a n d   I m p l e m e n t a t i o n   ( 3 r d   E d i t i o n ) 书 名 （ 中 文 ） ： 操 作 系 统 ： 设 计 及 实 现   ( 第 三 版 ) 原 作 者 ： A n d r e w   S .   T a n e n b a u m   /   A l b e r t   S .   W o o d h u l l 翻 译 者 ： 王 鹏 、 尤 晋 元 、 朱 鹏 、 敖 青 云 O p e r a t i n g   S y s t e m   ( 操 作 系 统 ) 书 名 （ 英 文 ） ： O p e r a t i n g   S y s t e m   C o n c e p t s   ( 7 t h   E d i t i o n ) 书 名 （ 中 文 ） ： 操 作 系 统 概 念   ( 第 七 版 ) 原 作 者 ： A b r a h a m   S i l b e r s c h a t z   /   P e t e r   B a e r   G a l v i n   /   G r e g   G a g n e 另 外 还 有 诸 如 《 现 代 操 作 系 统 》 、 《 O p e r a t i n g   S y s t e m s :   T h r e e   E a s y   P i e c e s 》 之 类 的 。 尤 其 是   《 O p e r a t i n g   S y s t e m s :   T h r e e   E a s y   P i e c e s 》 ， 阅 读 体 验 比 较 好 ， 讨 论 问 题 由 浅 入 深 。 而 书 名 也 是 很 有 意 思 ， 是 为 了 致 敬 费 曼 的 关 于 物 理 学 的 书 籍 ： 《 S i x   E a s y   P i e c e s :   E s s e n t i a l s   O f   P h y s i c s   E x p l a i n e d   B y   I t s   M o s t   B r i l l i a n t   T e a c h e r 》 。 用 作 者 的 话 说 ， 操 作 系 统 只 有 物 理 学 一 半 难 ， 那 就 叫   《 T h r e e   E a s y   P i e c e s 》 好 了 。 T h r e e   也 是 指 代 本 书 三 个 部 分 ： 虚 拟 化 （ V i r t u a l i z a t i o n ） 并 发 （ C o n c u r r e n c y ） 持 久 化 （ P e r s i s t e n c e ） 操 作 系 统 这 门 课 ， 易 学 难 精 ， 但 是 掌 握 到 日 常 编 程 和 面 试 够 用 还 是 比 较 容 易 的 。 那 么 毕 业 生 或 者 说 你 去 准 备 校 招 面 试 应 该 达 到 怎 样 的 水 平 : O S   四 大 模 块 的 理 论 知 识 :   进 程 与 线 程 管 理 、 内 存 管 理 、 I O 与 文 件 系 统 、 设 备 管 理 了 解   L i n u x   内 核 部 分 实 现 原 理 ， 如 内 存 管 理 、 进 程 管 理 、 虚 拟 文 件 系 统 等 了 解 和 熟 悉 常 用 的 系 统 调 用 已 经   S y s t e m   A P I 其 中 内 存 、 进 程 、 I O   是 重 点 ， 这 几 块 也 是 和 编 程 关 系 最 密 切 的 ， 这 里 推 荐 先 挑 本 偏 理 论 的 书 看 看 ， 了 解 操 作 系 统 的 全 貌 ： 《 现 代 操 作 系 统 》 《 操 作 系 统 — 精 髓 与 设 计 原 理 》 不 必 全 看 ， 两 者 任 选 一 本 都 不 错 ， 我 自 己 是 仔 细 看 了 第 二 本 ， 因 为 是 我 们 教 材 ， 同 时 挑 着 看 了 现 代 操 作 系 统 部 分 章 节 。 操 作 系 统 包 含 的 知 识 操 作 系 统 包 含 的 知 识 这 部 分 看 完 你 应 该 对 下 面 这 些 话 题 有 一 个 清 晰 认 知 了 ： T h r e e   E a s y   P i e c e
操 作 系 统 由 哪 些 构 成 进 程 的 状 态 、 切 换 、 调 度 进 程 间 通 信 方 式 （ 共 享 内 存 、 管 道 、 消 息 ） 进 程 和 线 程 的 区 别 线 程 的 实 现 方 式 （ 一 对 一 、 多 对 一 等 ） 互 斥 与 同 步 （ 信 号 量 、 管 程 、 锁 ） 死 锁 检 测 与 避 免 并 发 经 典 的 问 题 ： 读 者 写 者 、 哲 学 家 就 餐 问 题 为 什 么 需 要 虚 拟 内 存 ， M M U   具 体 如 何 做 地 址 转 换 的 内 存 为 什 么 分 段 、 分 页 页 面 置 换 算 法 文 件 系 统 是 如 何 组 织 的 虚 拟 文 件 系 统 （ V F S ） 是 如 何 抽 象 的 . . . 但 是 这 还 不 够 ， 看 完 偏 理 论 的 书 ， 当 面 试 官 问 「 进 程 和 线 程 的 区 别 」 时 。 大 概 只 能 回 答 出 「 进 程 是 资 源 分 配 的 最 小 单 位 ， 线 程 是 C P U 调 度 的 最 小 单 位 ， b a l a b a l a . . . 」 这 样 正 确 却 普 通 的 答 案 。 但 是 如 果 你 了 解   L i n u x   内 核 的 实 现 ， 就 可 以 实 际 出 发 ， 讲 讲   L i n u x   中 进 程 和 线 程 是 如 何 创 建 的 ， 区 别 在 哪 里 。 比 如 在   L i n u x   中 进 程 和 线 程 实 际 上 都 是 用 一 个 结 构 体   来 表 示 一 个 执 行 任 务 的 实 体 。 进 程 创 建 调 用   系 统 调 用 ， 而 线 程 创 建 则 是     方 法 ， 但 是 这 两 个 方 法 最 终 都 会 调 用 到     来 做 具 体 的 创 建 操 作   ， 区 别 就 在 于 传 入 的 参 数 不 同 。 深 究 下 去 ， 你 会 发 现   L i n u x   实 现 线 程 的 方 式 简 直 太 巧 妙 了 ， 实 际 上 根 本 没 有 线 程 线 程 ， 它 创 建 的 就 是 进 程 ， 只 不 过 通 过 参 数 指 定 多 个 进 程 之 间 共 享 某 些 资 源 （ 如 虚 拟 内 存 、 页 表 、 文 件 描 述 符 等 ） ， 函 数 调 用 栈 、 寄 存 器 等 线 程 私 有 数 据 则 独 立 。 这 样 是 不 是 非 常 符 合 理 论 书 上 的 定 义 ： 同 一 进 程 内 的 多 个 线 程 共 享 该 进 程 的 资 源 ， 但 线 程 并 不 拥 有 资 源 ， 只 是 使 用 他 们 。 这 也 算 符 合   U n i x   的 哲 学 了 —   K I S S （ K e e p   I t   S i m p l e ,   S t u p i d ） 。 但 是 在 其 它 提 供 了 专 门 线 程 支 持 的 系 统 中 ， 则 会 在 进 程 控 制 块 （ P C B ） 中 增 加 一 个 包 含 指 向 该 进 程 所 有 线 程 的 指 针 ， 然 后 再 每 个 线 程 中 再 去 包 含 自 己 独 占 的 资 源 。 这 算 是 非 常 正 统 的 实 现 方 式 了 ， 比 如   W i n d o w s   就 是 这 样 干 的 。 但 是 相 比 之 下   L i n u x   就 显 得 取 巧 很 多 ， 也 很 简 洁 。 对 于 进 程 、 线 程 这 块 你 还 可 以 把   f o r k 、 v f o r k 、 c l o n e   、 p t h r e a d _ c r e a t e   这 些 模 块 关 系 彻 底 搞 清 楚 ， 对 你 理 解   L i n u x   下 的 进 程 实 现 有 非 常 大 的 帮 助 。 t a s k _ s t r u c t f o r k p t h r e a d _ c r e a t e d o _ f o r k
说 了 这 么 多 ， 就 是 想 强 调 一 下 理 论 联 系 实 际 的 重 要 性 。 特 别 是 操 作 系 统 ， 最 好 的 实 践 就 是 看 下   L i n u x   内 核 是 怎 么 实 现 的 ， 当 然 不 是 叫 你 直 接 去 啃   L i n u x   源 码 ， 那 不 是 一 般 人 能 掌 握 的 。 最 好 的 方 式 是 看 书 ， 书 的 脉 络 给 你 理 得 很 清 晰 。 书 籍 推 荐 ： 《 L i n u x 内 核 设 计 与 实 现 》 这 本 书 恰 到 好 处 ， 即 讲 清 楚 了 内 核 实 现 的 要 点 ， 又 不 会 通 篇 源 码 。 这 本 书 重 点 关 注 「 第   3   章 进 程 管 理 」 、 「 第   5   章 系 统 调 用 」 、 「 第 1 2 章 内 存 管 理 」 、 「 第 1 3 章 虚 拟 文 件 系 统 」 、 「 第   1 5 章 进 程 地 址 空 间 」 这 些 章 节 属 于 操 作 系 统 核 心 部 分 ， 其 它 如 中 断 处 理 、 块   I O 、 设 备 管 理 根 据 你 自 己 兴 趣 选 择 看 下 就 可 以 了 。 基 本 上 做 到 这 里 ， 操 作 系 统 就 没 什 么 大 问 题 了 。 自 制 自 制 O S 另 外 ， 如 果 你 还 想 自 己 写 一 个 （ 模 仿 ）   m i n i   o s ， 那 么 你 需 要 一 些 前 置 依 赖 知 识 ， 否 则 估 计 会 被 很 多 硬 件 、 汇 编 知 识 劝 退 ： 筑 基 内 功 筑 基 内 功 - -   需 要 学 习 计 算 机 原 理 、 C 语 言 （ 需 要 熟 练 运 用 ） 、 数 据 结 构 课 程 工 欲 善 其 事 ， 必 先 利 其 器 ， 掌 握 以 下 工 欲 善 其 事 ， 必 先 利 其 器 ， 掌 握 以 下 L i n u x   下 常 用 命 令 行 ： 下 常 用 命 令 行 ： p w d 、 c d 、 f i n d 等 ， 1 - 2   款 趁 手 的 编 辑 器 ， 推 荐 掌 握   v i m   的 基 本 操 作 g c c 、 g d b 、 l d 、 m a k e 等 编 译 构 建 链 、 o b j d u m p 、 n m 、 r e a d i f 、 d d   等   E L F   文 件 分 析 、 烧 录 工 具 。 这 里 只 推 荐 一 本 我 看 过 的 书 《 操 作 系 统 真 象 还 原 》 ， 作 者 实 在 太 好 了 ， 所 有 需 要 前 置 依 赖 的 部 分 他 都 会 简 单 的 写 个 教 程 ， 照 着 这 本 书 就 能 撸 一 个 属 于 自 己 的   o s 。
这 部 分 大 家 感 兴 趣 就 自 己 去 看 好 了 ， 在 公 众 号 发 自 制   O S   文 章 ， 我 觉 得 不 太 合 适 ， 因 为 实 在 太 多 细 节 了 ， 公 众 号 不 适 合 做 这 样 的 教 程 。 截 取 其 中 一 部 分 读 者 也 会 看 得 云 里 雾 里 ， 纯 碎 作 者 自 嗨 。 关 于 自 制   O S   后 面 可 以 单 独 写 一 篇 文 章 ~ 好 了 ， 自 学   O S   部 分 就 到 这 里 了 。 推 荐 推 荐 ↓ ↓ ↓ 运 维 运 维
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