为什么大学老师教不好操作系统？

大家好，我是吴师兄。

操作系统是计算机类专业都会学习的一门课程，但很多人都反馈，大学里面学不了什么，基本都是靠自学。

今天跟大家深度聊一下，操作系统这门课，怎么学，才能更牛逼？

一、做好前置功课

千万不要一上来就啃书，学任何课程之前，都需要做好功课：

• 这是一门什么课程？讲什么东西的？
• 位于整个计算机技术知识体系的哪个位置，有哪些相关联的课程？
• 学了这门课有什么用？如果一上来直接就啃书，一不小心就会掉入枯燥的技术名词海洋中，什么也学不进去。

操作系统这门课程，讲的就是这个计算机的大管家，是如何管理程序的运行，以及如何管理计算机硬件资源并提供接口给程序使用的一门计算机基础课程！

因此，操作系统的核心，就是由下面这些东西构成的：

• 管理程序运行：线程管理、进程管理
• 管理内存资源：内存管理
• 管理硬盘资源：文件系统
• 管理网卡资源：网络协议栈
• 管理输入输出：中断管理、同步与异步
• 为应用程序提供接口：系统调用

看到了吗，操作系统书上每一部分东西都不是凭空而来的，大家在学习到操作系统每一个章节的时候，都要清楚的知道，学的这一部分东西是做啥的？只有清楚自己在操作系统学习海洋中的位置，才不会迷失方向。

二、选择几本好书

准备工作做好了，接下来就是要选择几本好的学习教材。

在这里我一定要说几句了！！！

大家一定要区分好一个概念：操作系统理论和具体的操作系统实现，这是两码事情！

同一个操作系统机制，不同的操作系统实现可能完全不同，一定要弄清楚书上写的那些东西是操作系统的理论，还是某个操作系统（比如UNIX）中的实现，不要以为UNIX是这么做的，所有操作系统就都是这样，这就走入误区了！

操作系统理论书籍中也会捎带介绍一些操作系统具体的实现，但是只是蜻蜓点水式的，不会太深入。想要真正了解某一个系统，最好是深入学习这个操作系统的实现。

如果是偏后端开发的，建议以Linux为重点，重点研究Linux下的实现，可顺便看一些Windows。

如果是网络安全（尤其是二进制方向）、客户端开发的，重点研究下Windows的实现，可顺便看一些Linux。

比如同样是线程，Linux和Windows的实现有着巨大的差异，比较posix线程和win32线程的实现差异，从内核数据结构到应用编程接口，学习原理和使用的差异，理解线程这个东西在操作系统中到底是一个什么样的存在。

比如内存管理，同样是基于x86下的段页式内存管理机制，对比Linux和Windows的管理实现差异，缺页异常处理、写时拷贝机制有哪些异同之处。

又比如系统调用，线程调度、中断处理、异常处理、锁等等，通过对比学习二者的差异，你会对这些操作系统概念了解的更加深刻，也会更加体会，理论与实际的差异所在。

看书的时候，不一定非要从第一页看到最后一页，不要这么死脑筋，学会灵活应对。如果进程管理看不下去，可以先看内存管理，同步与异步看不下去就先放着，等其他方面的知识储备够了，再回头来看，可能就会事半功倍。

三、学习阅读源码

除了看书，另外一项非常重要不可或缺的工作就是阅读源码！

大学里面很多老师，自己都没研究过操作系统实际的源码，你怎么能奢求他们能教会你呢？

一边看书，一边对照着源码学习，这是最直接最高效的学习方式。

不要觉得看操作系统源码是个很庞大的工程，自己可能看不下去。首先克服自己心里的恐惧，操作系统也是人写的，又不是让你一口气看完，你学哪一部分，就看那一部分的，没有那么遥不可及，等你通过阅读源码get到了书上写的某个知识点，那种感觉是非常舒适的。而一旦你习惯了这种舒适，就会形成正向反馈，推动你不断学习更多知识，也会养成通过源码学习和解决问题的良好习惯。

Linux是开源的这地球人都知道，去下载一份源码到自己电脑上，然后用sourceinsight这个工具打开，这个工具便于查看定位各种数据结构、函数的定义。

比如我用它来查看Windows XP的源代码：

阅读源码一定要带着目的性，毕竟，操作系统源码的规模是几千万行级别。不可能从头看到尾，学哪部分就看哪部分。

四、一定要动手实践

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行！

对于大部分人来说，能做到结合看书+源码分析，就已经足够了，对于操作系统的理解就已经达到一定的深度。

但如果你想有更进深一步的学习，这还不够！

毕竟，看书也好，看源码也好，都是看来的，操作系统真的就如书上和源码中描述的那样吗？

我学习一个东西，绝不听信书上所言，一定要亲自验证才为真，这样留下的印象想忘也忘不了。

那什么叫亲自验证？

可以通过内核级别工具，观察内核中的数据结构，如系统调用表、内存管理中的全局描述符表GDT、中断管理中的IDT。去看一下里面到底装了什么东西，然后尝试用书上讲解的知识，去解读这些数据结构，看看是不是书上写的那样。

还通过内核级调试工具，跟踪操作系统系统调用流程、文件创建过程、数据包处理流程···

甚至更进一步，自己手撸一个操作系统!

说起来容易，但是手撸操作系统这件事我们真的能做到吗？当然可以，如果我们只是实现一个「微型」的操作系统的话，那还是可以实现的。

具体怎么做呢？

都说操作系统（简称 OS ），是程序员的三大浪漫之一，我们经常会用“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。最近，我用 3 天的时间，自己写了个操作系统。

在手写 OS 的过程中，之前遇到的很多和操作系统密切相关的疑难杂症，都找到了答案。比如：

• 内存为什么会泄漏、服务进程为什么会 dang 掉、文件为什么打不开？
• MySQL 的 IO 性能还能不能再提升？
• 网络服务为什么会掉线？模式靠什么技术支撑？
• Node.js 的 I/O 模型长什么模样？

除此之外，在做高性能服务端编程的时候，经常会用到内存、进程、线程、IO 相关的知识。

“学好操作系统，能直接解决你在工作中遇到的这些问题”。就这一个原因，它就已经是每个程序员必须好好修炼的“基本功”了。

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，去年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，当时我第一时间就订阅了。

最近又开始二刷了，再学一遍还是有很多收获。最让我惊喜的是，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。

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记得当时这门课程上线两个月，订阅量就超 10000 订阅了，现在已经 65000 多人学习了，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。

订阅后在课程详情页，点击链接即可入群

编辑小姐姐也经常在群里出没，鼓励督促，可以说是伴随式的学习了，我加过的交流群不少，这个群确实非常难得，大佬云集，知识密度高，气氛活跃，学习体验也很好。

说了这么多，来看看课程各章节的知识点和精彩看点吧。