0.绪论

操作系统是在硬件和应用程序之间的程序。首先操作系统是个程序，这个没有理解上的难度。(操作系统)这个软件管理硬件，服务软件，在正式研究操作系统之前，先要看看他服务的软件眼里的操作系统是什么、他管理的硬件眼里的操作系统是什么。

应用视角的操作系统，首先要正确的理解程序是什么。一个比较直观的现象：一个程序或者一段代码如果没有参数输入，那么不管执行多少遍的结果都是一样的。也就是说这个程序在运行之前就知道他每一步是什么样的了，唯一出现变化的就是程序的输入。这个思路可能稍微有那么点反直觉，但也没有特别的反直觉。随机数的生成就一个有趣的例子，调用 rand() 函数的一个程序，如果不引入一个变量如 time，那么每次运行这个程序的输出都是一样的。连随机都是确定的。也就是说程序最终的状态是确定的，程序的执行是程序状态的改变，程序有个初始状态，这就是程序的状态机视角，后面的思路都是依靠这个理解展开。事实上，输入输出都不是应用程序自己做的，应用程序使用了 syscall 来实现，这是一条及其特殊的指令，特殊到指令分两类，一类是 syscall ，一类是其他。如果没有了 syscall 指令，应用程序都无法结束自己。因此从应用程序的视角来看，操作系统就是一条 syscall 指令，从编程的角度来看，操作系统就是一些系统调用加上一些对象，程序就是在对对象做一些操作。

从硬件的角度来看，操作系统是个应用程序，前面说应用程序是个状态机，那么 操作系统=状态机 这个理解也是没错的。硬件和程序约定好初始状态是什么，然后就开始了状态的变化。如硬件设计了通电时从 PC=0x0 的位置拿第一条指令，那么跑在硬件上的程序就要把自己的指令序列从 0x0 开始排列，一旦通电就开始执行代码了。这部分代码是固件，给裸机编程要考虑这些问题。到这里可以读取一个应用程序的初始状态，并跳转到这个初始状态开始执行，这就启动了一个应用程序。极简的原理是这样，实际会稍微多点步骤，比如 芯片内 boot rom 执行，uboot 执行，linux 内核执行，init 进程执行。计算机硬件就是个巨大的数字电路，数字电路真是状态机，那么计算机也是个状态机，如果没有外界输入，那么即使不启动计算机，仅通过计算力里面硬件的状态，也能计算出计算机运行时的每一个状态。

为什么学操作系统

学完写程序以后，并不一定真的能写程序，操作系统会补齐所有编程上需要的东西。

知道程序能做什么，为什么能做，从理论上就可以写出任何想写出来的程序。剩下的大都是工程实现上的问题。

为什么要学xxx

为什么学微积分？

关于做题和背后的东西。Newton 时代的启蒙和应用，后来 Cauchy 时代的严格化与**公理化**。现在高等数学教科书一上来就是极限的定义，然后后面是微积分的**计算技巧**。各种曲线曲面的计算。

但是，还是要问，为什么学微积分呢？现代应用：优化理论，有限元，现代工业的基础，控制理论。

还有一个吐槽很久的课程：线性代数。教材上定义定理习题定理习题....。就像是学了一门计算课一样，和小学练习 100 以内加减法没什么本质区别，更多的是见到题目之后的条件反射，初学的时候未思考线性代数背后的东西，真正的数学。直到看了一本国外的书：线性代数应该这样学（为什么又是外国的？）

为什么学微积分？

数学是很有用的。但是教的方式有一点小问题。一上来的公理化的定义定义体现了一个严谨，但是丢失了直观。固然直观不可靠，但是抽象和严谨让初学者在理解其内涵、理解数学的美之前就已经觉得痛苦了。

为什么学操作系统？

学了 C 语言没地方用，只是停留在 leetcode ，岂不是很无聊？所以学了 C 语言是不是可以用起来，做一点看起来很好玩的事情。每天在电脑上用的东西，比如键盘鼠标显示屏，尽管明确的知道这些东西就是 C 语言控制起来的的，如果我能知道背后的原理，那一定是一件很有意思的事情。

进一步地，浏览器，编译器，IDE，游戏外挂，网络安全。学完操作系统，会给一个人和编程有关的全部知识，具有了编写一切程序的能力。就这一门课，学好了就可以在计算机技术(工程)这个方向上毕业了。虽然但是，学完操作系统也搞不出来这些（LOL），但是，学完操作系统给了编程全部的知识，剩下的就是工程问题。如果不经过一些理论上的学习，直接啃 linux 内核源码是件很崩溃的事情。想知道一个函数是怎么用的，点开跳转，还是一层层的跳转，跳了 10 层发现就是一个简单的表达 `__x = __y` ，这不直接崩溃？它太复杂了，内核源码是数万工程师几十年积累的结果。

所以不妨先用一个最小的，但是原理上完全一样的东西来看看是怎么工作的。再看 linux 源码就可以把代码和概念以及思路映射到这个简单的最小系统上，然后就知道 linux 是怎么工作的了，就可以理解 linux 内核了。这就可以真的去调试内核了。

当然还有现实的一点，在嵌入式开发方面，基于 linux 的薪资水平是要比 mcu 裸机高一些的。

我相信人在物质财富积累足够以后，精神境界也会有追求的。啥解决卡脖子技术，做中国人自己的操作系统，都行。

软件美国比较厉害，起步早。在上大学前我就就知道了游戏，浏览器，外挂。在上学前想的是这些东西，上学了发现全是分部积分、中值定理，这就很难过。所以，课程还差一点东西，把难过的事情和好玩的事情之间联系起来。一个中国式的教材。为了期末考试的分数内卷，刷题，背题。最大化分数，

新闻在讲美国人在芯片、操作系统掐脖子，如果每个同学都是这种学习方式，那这脖子要被美国人掐断了。。

学习的目的

• 人类的文明

  • 基本动机、基本方法、里程碑、走过的弯路

  • 走向应用、创新、革命

• 操作系统的历史就是计算机软硬件发展的历史

  • 基本动机：更快更好的服务应用

  • 基本方法：Building Abstractions

  • 里程碑：UNIX，linux

2025

世界变了，发展的太快了。

AI 技术使顶级“人类劳动力”逐渐失去价值

在 AI 时代想学会一个东西并把他做的和一般人一样好会变得非常容易。

人与人之间的生产力呈现断崖式的差距，面向考试的“功利”学习的收益急剧减少

每个人的时间都是有限的，试试新的东西，对新技术保持好奇心。

互联网和开源会改变一部分人，AI 也会改变一部分人。

什么是操作系统

Operating System: A body of software, in fact, that is responsible for making it easy to run programs (even allowing you to seemingly run many at the same time), allowing programs to share memory, enabling programs to interact with devices, and other fun stuff like that. (OSTEP)

操作系统是一个软件体，让应用程序更容易的运行起来（甚至允许您似乎同时运行多个程序），允许程序共享内存，允许程序与设备交互，以及其他类似的有趣的东西。

• programs : 所有的东西都是，OS甚至让病毒也容易的跑起来

• devices : 电脑上接个机械臂，能让他动起来。（这是我的专业，ROS机器人操作系统，很有意思）

通过巧妙地算法算出一个有意思的值，可以借助操作系统丢给设备，操作系统就是干这个事的，可以让数据和设备交互。

教材会给一个东西下一个滴水不漏的定义。但是读起来味同嚼蜡：操作系统（英语：Operating System，缩写：OS）是一组主管并控制计算机操作、运用和运行硬件、软件资源和提供公共服务来组织用户交互的相互关联的系统软件程序。

操作系统的边界是比较模糊的。操作系统管理一些资源，提供一些服务。

把这么大的很宽泛的概念搞清楚，不是去背定义，“精准”的教科书定义没啥用。

如何解释服务，宽泛一点呢？微信小程序，浏览器启动一个vscode，再往外延申，校长管理各种院系（资源）为国家提供服务。

这些概念太过于宽泛了。精确的定义一点都没有错，但是。。。

一个东西刚诞生的时候都是简单的。计算机从第一台变成今天这样，操作系统如何从一开始编程现在这样的？一个东西都是慢慢从简单变得复杂的。

话说回来，定义还是有点用的，操作系统是管理硬件的软件，三个重要线索：

• 计算机（硬件）

• 程序（软件）

• 操作系统（管理软件的软件）

这里去学习，狭义的操作系统：

• 对单一计算机硬件系统作出抽象、支撑程序执行的软件系统

操作系统是夹在硬件和软件之间的，因此需要花一点时间复习什么是硬件，什么软件。

复习硬件：数字电路，数字逻辑电路就是简单的公理系统，由导线、时钟和逻辑门组成，建立在这个公理系统上的数字系统设计。生命游戏也是类似的一个系统。

如何学习数字电路呢？花一个星期学习公理，然后一个学习写verilog，数字系统和数学很像，都是在公理上建立好玩的东西，逻辑门本身很简单，但是做出好玩的东西不容易。编程语言，比如C的语法并不难，但是实现花里胡哨的东西还是有点困难的，这就是经验。

这里个给出C语言模拟数字电路，同时体验unix设计的哲学。如何用编程语言去描述一些思想。

用同样的方式，可以模拟任何数字系统，包括计算机系统，虚拟机就是这么来的。

复习软件：电路，电路上面是计算机，计算机是特殊的电路。高级语言从上到下一级一级编译成a.out，穿过操作系统到计算机上执行。ISA。

一个程序是什么的例子，C语言模拟 Risv-v指令的执行。如果指令实现的足够完备，甚至可以把linux启动起来，只要理解了基本的公理，剩下的都是工程问题。

硬件和软件是协同发展的，所以，不妨回头看看，这些复杂的东西刚诞生的时候，是个什么样子。

计算机的历史，操作系统的发展

1940 年的计算机，很简单，很大。是个时序逻辑电路，甚至都不如一个本科课程上用FPGA实现的CPU。但是有很多天才的创造，真空管实现逻辑门，存储器用延迟线（delay lines，很有意思），输入输出是带着洞的纸带和指示灯。这还不是冯诺依曼结构。重新编成需要重新接线，最早成功运行的程序：打印平方数，素数表，计算弹道。

这是个正经的图灵机。

状态机，每个状态用组合逻辑表示，变成一个时序逻辑电路。

[ENIAC Simulator and Related Material](https://www.cs.drexel.edu/~bls96/eniac/)

一个模拟器。

为啥总是说外国人卡脖子呢，他们愿意去花时间做这些东西，虽然看起来没啥用。

每个人都有自己的兴趣。

这时候的计算机根本不需要操作系统，程序直接用指令操作硬件，不需要画蛇添足的用操作系统这个程序来管理。能把这个程序运行起来就很了不起了。这个时期，实现了从无到有的跨越，能帮助人去算各种东西。

1950 年就广泛应用了，有了晶体管逻辑门，更大更快的磁芯内存，更多的 IO 设备。而且 IO 设备的速度已经严重低于处理器的速度，于是 1953 年出现了中断机制。

这时候要考虑这代码怎么写，不可能说 IDE 用 C，那时候的程序员在卡片上打孔，这些程序也像是编译器输出的机器码。

这个时期，计算机非常昂贵，一个大学就只有一台，一群人排队等着用。一群人排队等着用这台机器，一个学校只有一个计算机，一个计算机只有一个 CPU，这时候该如何处理。这时候的程序是一堆卡片，我们只有一个卡片机，一个卡片执行完了，自动换下一个卡片进来。管理这台机器的程序员提前一天收好这些卡片，排队，一个卡片执行完了自动下一个。这时候这时候就逐渐有操作系统的概念开始出来了，操作(operate)任务(jobs)的系统(system)。这时候操作系统还可以提供一些 API，能不能把计算结果在写在一张新的卡片上，这就是“文件”（真物理文件）。所有的概念的出现都是很自然的。

计算机的整个发展历史就是越来越快，内存越来越大。

1960年，集成电路发展，有了巨大的内存，可以同时把好几个程序同时放入内存了，不需要换卡了。但是还是只有一个CPU，这时候怎么办呢。想要同时更好的管理好两个程序，该怎么办呢？有个小点：我们这时候见到的所有程序那个时候都有了。所有的运算都在CPU的话，同时装入内存也没啥意义，但是，除了运算，还要把数据打印出来，或者写到磁盘上，这是很自然的事情。CPU 30s 算完，打印 5 分钟，这也是很正常的。在等待打印的时候 CPU 是空着的，是不是可以用起来呢？这就是这个时期的操作系统，两个程序交替着运行。

这里有了多道程序的概念。多个程序载入内存，又有设计上的要求，内存最好隔离开，因为不同人写的程序会有 BUG，一个坏的程序破坏好的程序是很难过的。这时候为了让多个程序互不干扰，硬件上也要有相应的配套的变化，这也是很基本的想法，基于这个想法设计的操作系统，与现在的很接近了。

这就有了进程的概念。进程在执行 I/O 时，可以将 CPU 让给另一个进程，在多个地址空间隔离的程序之间切换。虚拟存储使一个程序出 bug 不会 crash 整个系统。操作系统中自然地增加进程管理 API。

有两个程序A和B跑在一个单CPU的PC上，运行的样子：

A运行->操作系统运行->B运行->操作系统运行

操作系统做一些切换时的必要工作

既然操作系统已经可以在程序之间切换，为什么不让它们无条件的定时切换呢？A执行100ms，操作系统的代码执行，换B执行100ms，这也是个想法。现在操作系统是计算机的最高管理者，不管程序是谁，执行100ms必须停下来让另一个去走。这就有了基于中断的机制。这个想法的实现 Multics，1965年，有了，自此，现代操作系统诞生。

1970年就有了个人电脑。这时候的计算机和现在的计算机并没有太多区别了。今年能用计算机干的事情1970年的计算机也能干。上天入地，那个时候就有人工智能了。甚至可以在字符终端上处理字符了，上古时期的word。

1972年C语言也出现了。

1973年，信号API（进程间通信）、管道、grep

1983：socket套接字，GNU ，

1984：procfs

再后来，unix衍生出的家族

1BSD (1977), GNU (1983), MacOS (1984), AIX (1986), Minix (1987), Windows (1985), Linux 0.01 (1991), Windows NT (1993), Debian (1996), Windows XP (2002), Ubuntu (2004), iOS (2007), Android (2008), Windows 10 (2015), ……

一本书：《unix传奇》，讲贝尔实验室。

一帮人聚在一起，有一些想法，用一些代码实现它。不用太多，500一千行搞定。

今天也是，做创新，我们有很好的软件工具，有个小团队，有个小想法就可以做非常棒的事情，看看能不能实现。就像当年在贝尔实验室做的那样。

今天的操作系统，通过 “虚拟化” 硬件资源为程序运行提供服务的软件。

操作系统从最早的时候开始，从打孔开始，到现在越来越复杂，相应的操作系统也要为软件提供更复杂的服务，今天的操作系统并没有离开1970年的框架，但是也遇到了许多麻烦的事情：

• 更复杂的处理器和内存

  • 非对称多处理器 (ARM big.LITTLE; Intel P/E-cores)

  • Non-uniform Memory Access (NUMA)

  • 更多的硬件机制 Intel-VT/AMD-V, TrustZone/SGX, TSX, ...

• 更多的设备和资源

  • 网卡、SSD、GPU、FPGA...

• 复杂的应用需求和应用环境

  • 服务器、个人电脑、智能手机、手表、手环、IoT/微控制器……

非对称处理器，Intel大小核，12900K，8 Performance-cores 8 efficient-cores

最早的arm有的，手机上用的，比如A53 + A57，这时候如果把游戏调度到小核，这就惨了，12代CPU大不过11代。

以前的电脑，内存其128、256，现在个人PC都可以装上32G或者64G的RAM。电脑主板可以查4个内存条，CPU访问内存的时间，操作系统都要考虑这些问题。现代操作系统是很复杂的东西。

这里不讲这些，仅仅是讲一个最简单的原理性的小系统。如果真的感兴趣，那么下一步可以去看看这些东西。

理解操作系统内容：

课程内容：软硬件之间的桥梁

• 课程中的软件：多线程 linux 应用程序(状态机)

• 课程中的硬件：现代多处理器系统(假设每个cpu都是一样的)

(设计/应用视角) 操作系统为程序提供什么服务？

• 操作系统 = 对象 + API

• 课程涉及：POSIX + 部分 Linux 特性

操作系统是一堆库，库里规定了有什么对象，如文件、进程，还规定了可以对这些对象做什么操作。

(实现/硬件视角，无情的指令执行机器) 如何实现操作系统提供的服务？

• 操作系统 = C 程序

  • 完成初始化后就成为 interrupt/trap/fault handler

• 课程涉及：xv6, 自制迷你操作系统

操作系统服务程序，程序是状态机。内核和寄存器，每执行一条程序，内存和寄存器就变了。

操作系统为程序提供服务，文件进程管道这些对象还有操作这些东西的API，学习POSIX的接口，linux的接口。

实现一些常用的API，操作系统就是个C程序，操作系统初始化结束后就变成了一个中断处理程序，这就结束了。

这部分笔记的结构：

先看操作系统服务的对象：程序。理解程序是什么东西。

一个程序可以被另一程序打断，那么为何不主动去打断换成另一个程序执行？这是多任务的一个最初的想法。

如何学操作系统？

学操作系统还是有些要求的。会有一些小困难，但是可以克服。

如果学操作系统确实很吃力，可以去看CSAPP。

首先是合格的操作系统用户

• 遇到问题，会 STFW/RTFM 自己动手解决问题

• 不怕使用任何命令行工具

  • vim, tmux, grep, gcc, binutils, ...

• 不惧怕写代码

  • 能管理一定规模 (数千行) 的代码

  • 能在出 bug 时默念 “机器永远是对的、我肯定能调出来的”

    • 然后开始用正确的工具/方法调试

STFW：search the fucking web

RTFM：read The Fucking Manual

自己解决问题，比如学linux，需要这个环境。能在网上找到这个教程，跟着做下来。这其实也不是很困难。

一个命令行工具，可以正确的使用他。

Computer must be right

成为操作系统的 Power User，

对新的东西感兴趣。

比如

不用网络，那么查自带手册

man tar

# 精简一点
tar --help

但是，有更好用的工具 tldr

其次是学会写代码

写代码 = 创造有趣的东西

• 命令行+浏览器

• 不需要语言特性，不用特意去讲设计模式

  • 当代码大到一定程度，自然就会关注这些东西

2023年，善于利用新的东西。

chatgpt诞生的意义不亚于当年的ENIAC。