文章插圖
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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，我一直專注于操作系統內核研發 。
LMOS（基于x86平臺支持多進程、多CPU、虛擬化等技術的全64位操作系統內核）跟LMOSEM（基于ARM處理器平臺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，并且現在仍在更新 。
當時是基于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，解決了諸多疑難雜癥，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，好像用不到什么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？
對于這些問題，我的答案當然是“有必要” 。至于理由么，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么會泄漏、服務進程為什么會dang掉、文件為什么打不開等一系列“基礎”問題的漩渦中？
你是否驚嘆于Nginx的高并發性？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？網絡服務為什么會掉線？Redis中經典的Reactor設計模式靠什么技術支撐？Node.js 的 I/O 模型長什么模樣……
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欲的你指一條“明路”了 。這些都將在后面的學習中，找到答案 。
為什么說操作系統很重要？
首先我們都知道，操作系統是所有軟件的基礎，所有上層軟件都要依賴于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扎實，這對他們的架構視野、技術成長都十分有幫助 。
如果你是后端工程師，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，對于工程師來說也是繞不過的基本功 。
對于運維、測試同學，你要維護和測試的任何產品，其實是基于操作系統的 。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，判斷服務器的問題出現在哪里 。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并不遙遠，甚至可以說是息息相關 。要知道，操作系統其實不僅僅局限于手機和電腦，你的智能手表、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，也可能會感覺學得云里霧里 。更別說非科班的一些人，難度更甚，甚至高不可攀 。那為什么我這么有信心，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” ?？戳酥?，除了能寫出那個家喻戶曉的“hello world”程序，其它什么也干不了 。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算法，經過一番學習，后來我總算可以寫一些小功能的軟件了，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、匯編語言這些內容 。
最后我終于發現，操作系統才是我最想寫的軟件 。我像著了魔一樣，一切操作系統、硬件層相關的書籍都找來看 。
有了這么多的“輸入”，我就想啊，既然是寫操作系統，為什么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 。先后從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 。
后來，我又沒忍住自己的好奇心，寫了個嵌入式操作系統——LMOSEM 。由于有了先前的功底，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么操作系統很難學 。
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，前后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，最后只能遺憾放棄 。
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，千里之行還得始于足下 。
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么，帶著你基于設計理解去動手實現；然后，再給你詳細描述Linux內核對應的實現，做前后對比 。這樣既能讓你邊學邊練，又能幫你從“上帝視角”審視Linux內核 。
我們課程怎么安排的？
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并進行初始化，其中包含初始化CPU、內存、中斷、顯示等 。
然后，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 。最后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 。
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：擁有一個屬于自己的操作系統內核，同時收獲對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，并且可以學會系統級別的軟件編程技巧 。我相信，這對你拓展技術深度和廣度是大有裨益的 。之后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，由于操作系統內核是有核心競爭力的高技術含量軟件，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服務器 。
操作系統相關的內容，已經成為你漲薪、晉升的必考項，比如 Linux 內核相關的技術，中斷、I/O、網絡、多線程、并發、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于操作系統 。
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件，卻受制于人，這關系到整個國家的信息安全，也關系到互聯網信息行業以及其它相關基礎行業的前途和未來 。
【自己做操作系統有多難 制作一個操作系統要多難】而要改變這一困局，就要從培養技術人才開始 。對于我們工程師來說，樹高葉茂，系于根深，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，也是后面課程涉及到的所有知識點 。盡管圖中只是最簡短的一些詞匯，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 。
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