从零开始，深度探索嵌入式操作系统

时间：2021-09-23 16:04:34

关键字：嵌入式操作系统

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[导读]“操作系统”作为所有软件的基础，是计算机王国的掌舵者。我们常用“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。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...

“操作系统”作为所有软件的基础，是计算机王国的掌舵者。我们常用“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。

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，当我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，第一时间就订阅了。让我很惊喜的是，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。

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。 1.“保姆级”图示代码解析，小白也适用 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？ 2. 边学边练，对比分析，强化理解 Linux 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。 3. 配套源码，真正动手“run”起来 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 4. 开源计划，新的挑战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。