计算机科班学习 OS 的正确姿势!

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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 Windows、Linux 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 OS 的几种目标:
第一种:
知晓 OS 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OS的概念;
第二种:
理解OS基本原理: 在1的基础上,完成与 OS 相关的课程练习题,可进一步理解 OS 基本原理,练习题可以参考学堂在线清华OS课程的练习题:
计算机科班学习 OS 的正确姿势!

第三种:
掌握 OS 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  xv6 的几个 lab ,
比如 xv6 就会涉及以下模块:
  • Booting a PC
  • Memory Management
  • Multitasking
  • File system, Spawn and Shell
  • Network Driver
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 thread、spinlock、semaphore 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 Linux Kernel,研究一些子模块了,有些还需要阅读最新的 System 领域论文。
最新的 Linux Kernel  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 lab,比如OS、Network。
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 System 的同学都会去跟 MIT、CMU、UCB 这些计算机名校的课程。
比如 MIT 的 6.824 Distributed System6.830 Database SystemsMIT 6.828 Operating System Engineering .....

xv6

6.828 就是今天要介绍的主角:
MIT6.828:Operating System Engineering
官网主页:https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2020/index.html
在官网,包含了Schedule、Labs、xv6-book 等等。
尤其是 xv6-lab 包含了操作系统中最为核心的模块:
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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」:
  • System Call、Page tables
  • Traps
  • Lazy allocation、Copy On-Write
  • Multithreading、Lock
  • File System、mmpa
  • network driver
如果想看视频的话可以去 Youtube 或者 B站:
MIT 6.828: Operating System Engineering :https://www.bilibili.com/video/BV1px411E7ST

ucore

如果你想找一个国内的类似 xv6 的 lab,那么这里推荐清华大学 ucore OS。
它其实也是起源于MIT CSAIL PDOS课题组开发的 xv6 & jos、哈佛大学开发的 OS161教学操作系统、以及Linux-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 OS 课程设计的一个lab。
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:https://www.xuetangx.com/course/THU08091000267/5883104
顺便推荐几本经典的书籍吧:
书名(英文):Operating Systems : Design and Implementation (3rd Edition)
书名(中文):操作系统:设计及实现 (第三版)
原作者:Andrew S. Tanenbaum / Albert S. Woodhull
翻译者:王鹏、尤晋元、朱鹏、敖青云
Operating System (操作系统)
书名(英文):Operating System Concepts (7th Edition)
书名(中文):操作系统概念 (第七版)
原作者:Abraham Silberschatz / Peter Baer Galvin / Greg Gagne
另外还有诸如《现代操作系统》、《Operating Systems: Three Easy Pieces》之类的。
尤其是 《Operating Systems: Three Easy Pieces》,阅读体验比较好,讨论问题由浅入深。
而书名也是很有意思,Three Easy Piece是为了致敬费曼的关于物理学的书籍:《Six Easy Pieces: Essentials Of Physics Explained By Its Most Brilliant Teacher》。
用作者的话说,操作系统只有物理学一半难,那就叫 《Three Easy Pieces》好了。
Three 也是指代本书三个部分:
  • 虚拟化(Virtualization
  • 并发(Concurrency
  • 持久化(Persistence
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:
  • OS 四大模块的理论知识: 进程与线程管理、内存管理、IO与文件系统、设备管理
  • 了解 Linux 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 System API
其中内存、进程、IO 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

这部分看完你应该对下面这些话题有一个清晰认知了:
  • 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,MMU 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(VFS)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CPU调度的最小单位,balabala...」这样正确却普通的答案。
但是如果你了解 Linux 内核的实现,就可以实际出发,讲讲 Linux 中进程和线程是如何创建的,区别在哪里。
比如在 Linux 中进程和线程实际上都是用一个结构体 task_struct来表示一个执行任务的实体。进程创建调用fork 系统调用,而线程创建则是 pthread_create 方法,但是这两个方法最终都会调用到 do_fork 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 Linux 实现线程的方式简直太巧妙了,实际上根本没有线程,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 Unix 的哲学了— KISS(Keep It Simple, Stupid)。
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(PCB)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 Windows 就是这样干的。
但是相比之下 Linux 就显得取巧很多,也很简洁。
对于进程、线程这块你还可以把 fork、vfork、clone 、pthread_create 这些模块关系彻底搞清楚,对你理解 Linux 下的进程实现有非常大的帮助。
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 Linux 内核是怎么实现的,当然不是叫你直接去啃 Linux 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:
  • 《Linux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12章内存管理」、「第13章虚拟文件系统」、「第 15 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 IO、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OS

另外,如果你还想自己写一个(模仿) mini os,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-- 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Linux 下常用命令行:
pwd、cd、find等,1-2 款趁手的编辑器,推荐掌握 vim 的基本操作
gcc、gdb、ld、make等编译构建链、objdump、nm、readif、dd 等 ELF 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 os。
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这部分大家感兴趣就自己去看好了,在公众号发自制 OS 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 OS 后面可以单独写一篇文章~

好了,自学 OS 部分就到这里了。
大家周末愉快~
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原文始发于微信公众号(进击的Coder):计算机科班学习 OS 的正确姿势!

链接:https://bbbe.top/archives/3438.html
来源:随风的博客
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