如何學習作業系統這門課程？

大家好，我是軒轅，

今天跟大家深度聊一下，作業系統這門課，怎么學，才能更牛逼？

一、做好前置功課

千萬不要一上來就啃書，學任何課程之前，都需要做好功課：

• 這是一門什么課程？講什么東西的？

• 位于整個計算機技術知識體系的哪個位置，有哪些相關聯的課程？

• 學了這門課有什么用？如果一上來直接就啃書，一不小心就會掉入枯燥的技術名詞海洋中，什么也學不進去，

首先來了解一下，作業系統到底是個啥？為什么會有作業系統這個東西出現？

在二十世紀中葉，計算機剛剛誕生之初的那二三十年里，是沒有作業系統這個東西的，程式員撰寫的程式是直接放到計算機上去運行，

所以那時候的程式員，必須對計算機的硬體設備（CPU、存盤設備、輸入設備、輸出設備）非常熟悉，才能撰寫出可以運行的程式，那時候的程式員可不像現在，隨便培訓一下就能上的，是個技術含量很高的活，

直接把程式放到計算機上執行，是通過人工來操作，執行完一個，再放另一個，但隨著計算機速度的提高，人工操作的性能瓶頸開始出現，這就是著名的“人機矛盾”，這時候計算機科學家們開始思考：能不能提前把所有程式都錄入進去，然后讓計算機自動切換多個程式呢？

于是，計算機科學家們搗鼓出了一個管理程式，專門來負責控制切換其他程式的運行，

批處理系統、多道批處理系統相繼誕生，作業系統的概念開始興起，

計算機硬體發展越來越快，可以同時運行多個程式了，這個管理程式逐漸演化成作業系統，功能也越來越強大，不但負責調度管理其他程式的運行，還負責管理計算機所有的硬體資源（CPU、記憶體、外存、網卡、輸入輸出設備），作為一個二道販子中間商，提供簡單的介面給其他程式，程式員們撰寫的程式不再需要直接與計算機硬體打交道了，與作業系統打交道就好了，

所以，話說回來, 作業系統這門課程，講的就是這個計算機的大管家，是如何管理程式的運行，以及如何管理計算機硬體資源并提供介面給程式使用的一門計算機基礎課程！

因此，作業系統的核心，就是由下面這些東西構成的：

• 管理程式運行：執行緒管理、行程管理

• 管理記憶體資源：記憶體管理

• 管理硬碟資源：檔案系統

• 管理網卡資源：網路協議堆疊

• 管理輸入輸出：中斷管理、同步與異步

• 為應用程式提供介面：系統呼叫

看到了嗎，作業系統書上每一部分東西都不是憑空而來的，大家在學習到作業系統每一個章節的時候，都要清楚的知道，學的這一部分東西是做啥的？只有清楚自己在作業系統學習海洋中的位置，才不會迷失方向，

二、選擇幾本好書

準備作業做好了，接下來就是要選擇幾本好的學習教材，

在這里我一定要說幾句了！！！

大家一定要區分好一個概念：作業系統理論和具體的作業系統實作，這是兩碼事情！

同一個作業系統機制，不同的作業系統實作可能完全不同，一定要弄清楚書上寫的那些東西是作業系統的理論，還是某個作業系統（比如UNIX）中的實作，不要以為UNIX是這么做的，所有作業系統就都是這樣，這就走入誤區了！

我推薦，作業系統學習一定要準備三本書：

1、寫作業系統理論的書 2、寫Linux作業系統實作的書 3、寫Windows作業系統實作的書 首先，建議從理論書籍看起走，它會告訴你作業系統的發展歷史，以及各個作業系統概念的作用，這類書籍偏重計算機科學性質，也就是有點學院派的意思，

光看理論還是虛的，猶如空中樓閣，你只能想象它的存在，卻看不見摸不著，所以學了理論書籍，也要來看一下現代主流作業系統的具體實作，才能進一步加深你對這個知識點和技術的理解深度，

作業系統理論書籍中也會捎帶介紹一些作業系統具體的實作，但是只是蜻蜓點水式的，不會太深入，想要真正了解某一個系統，最好是深入學習這個作業系統的實作，

如果是偏后端開發的，建議以Linux為重點，重點研究Linux下的實作，可順便看一些Windows，

如果是網路安全（尤其是二進制方向）、客戶端開發的，重點研究下Windows的實作，可順便看一些Linux，

比如同樣是執行緒，Linux和Windows的實作有著巨大的差異，比較posix執行緒和win32執行緒的實作差異，從內核資料結構到應用編程介面，學習原理和使用的差異，理解執行緒這個東西在作業系統中到底是一個什么樣的存在，

比如記憶體管理，同樣是基于x86下的段頁式記憶體管理機制，對比Linux和Windows的管理實作差異，缺頁例外處理、寫時拷貝機制有哪些異同之處，

又比如系統呼叫，執行緒調度、中斷處理、例外處理、鎖等等，通過對比學習二者的差異，你會對這些作業系統概念了解的更加深刻，也會更加體會，理論與實際的差異所在，

在書的選擇上，理論書籍毫無疑問首推黑皮書：《現代作業系統》

講Linux的推薦：《Linux內核設計與實作》

講Windows的推薦：《Windows內核原理與實作》

看書的時候，不一定非要從第一頁看到最后一頁，不要這么死腦筋，學會靈活應對，如果行程管理看不下去，可以先看記憶體管理，同步與異步看不下去就先放著，等其他方面的知識儲備夠了，再回頭來看，可能就會事半功倍，

如果確實覺得看書很枯燥，看不進去，也可以嘗試看看我之前寫過的系列故事文章，通過第一人稱視角的方式，用有趣的故事形式講解這些底層知識，

比如，講中斷技術：

CPU明明8個核，網卡為啥拼命折騰一號核？

講記憶體管理：

一個故事看懂記憶體管理

講DMA技術：

一個故事看懂DMA技術

三、學習閱讀原始碼

除了看書，另外一項非常重要不可或缺的作業就是閱讀原始碼！

一邊看書，一邊對照著原始碼學習，這是最直接最高效的學習方式，

不要覺得看作業系統原始碼是個很龐大的工程，自己可能看不下去，首先克服自己心里的恐懼，作業系統也是人寫的，又不是讓你一口氣看完，你學哪一部分，就看那一部分的，沒有那么遙不可及，等你通過閱讀原始碼get到了書上寫的某個知識點，那種感覺是非常舒適的，而一旦你習慣了這種舒適，就會形成正向反饋，推動你不斷學習更多知識，也會養成通過原始碼學習和解決問題的良好習慣，

Linux是開源的這地球人都知道，去下載一份原始碼到自己電腦上，然后用sourceinsight這個工具打開，這個工具便于查看定位各種資料結構、函式的定義，

比如我用它來查看Windows XP的源代碼：

閱讀原始碼一定要帶著目的性，畢竟，作業系統原始碼的規模是幾千萬行級別，

比如最近在學習系統呼叫，就先看書，把系統呼叫的概念、原理弄清楚，再找到原始碼中講系統呼叫的部分，結合源代碼進行分析，和書上講的內容進行結合對照，把這一塊原始碼好好琢磨琢磨，加深對其理解，

（PS：順便說一下，書的出版有一定的時效性，要注意手里的作業系統原始碼版本是不是和書上的一致，有可能會出現不一樣的情況，從而產生疑惑）

四、一定要動手實踐

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行！

對于大部分人來說，能做到結合看書+原始碼分析，就已經足夠了，對于作業系統的理解就已經達到一定的深度，

但如果你想有更進深一步的學習，這還不夠！

畢竟，看書也好，看原始碼也好，都是看來的，作業系統真的就如書上和原始碼中描述的那樣嗎？

我學習一個東西，絕不聽信書上所言，一定要親自驗證才為真，這樣留下的印象想忘也忘不了，

那什么叫親自驗證？

可以通過ARK級別工具，觀察內核中的資料結構，如系統呼叫表、記憶體管理中的全域描述符表GDT、中斷管理中的IDT，去看一下里面到底裝了什么東西，然后嘗試用書上講解的知識，去解讀這些資料結構，看看是不是書上寫的那樣，

還通過內核級除錯工具，跟蹤作業系統系統呼叫流程、檔案創建程序、資料包處理流程···

再然后，自己撰寫內核驅動程式，加載到內核空間，去遍歷所有的行程，去自己翻譯虛擬地址，去劫持執行緒執行流···

能做到這個程度，作業系統就是你的玩具了，

五、幾個好東西

最后，收藏黨的福利時間，推薦幾個學習作業系統的好東西：

1、Linux原始碼在線查看網站，墻裂推薦，函式、資料結構可以關聯檢索，各種Linux版本應有盡有：

https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source

2、Windows原始碼（包含開源的WRK、泄露的Windows NT、Windows XP、還有逆向工程版本的ReactOS全家桶打包合輯）

3、作業系統學習書籍資料免費送給大家：

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