自制 os 极简教程1：写一个操作系统有多难
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不知道正在閱讀本文的你，是否是因為想自己動手寫一個操作系統(tǒng)。我覺得可能每個程序員都有個操作系統(tǒng)夢，或許是想親自動手寫出來一個，或許是想徹底吃透操作系統(tǒng)的知識。不論是為了滿足程序員們自帶的成就感，還是為了面試找工作時能更深入地和面試官探討（裝逼）。
那寫一個操作系統(tǒng)究竟有多難呢？我結(jié)合自己的經(jīng)歷給大家講一講。
寫一個操作系統(tǒng)有多難
先說一句廢話：會者不難，難者不會。
冷啟動
對于零基礎(chǔ)的人，甚至是計算機知識零基礎(chǔ)的人來說，難。難點并不在于操作系統(tǒng)的代碼量本身，而在于任何一個事物發(fā)展初期都會遇到的困境，冷啟動。
我不知道應(yīng)該看哪本書作為入門書籍，甚至不知道應(yīng)該看書還是看網(wǎng)絡(luò)上的文章，還是找一個領(lǐng)路者帶你入門，甚至還在被一些討論自己做一個操作系統(tǒng)到底有沒有意義這個問題糾結(jié)著。
好多人在這個冷啟動時期，就被弄得沒脾氣了。
你可能比較幸運，找到了一本入門書籍，剛好作者的文筆和思路比較對你的胃口，于是度過了冷啟動時期。
但你也可能不太幸運，找了一本難讀的書籍，或者是優(yōu)秀的作品但剛好不對你的胃口，于是就從入門到放棄了。
我當(dāng)時的第一本啟蒙書籍，是《30 天自制操作系統(tǒng)》，好多人的第一本可能也是這個，因為書的標(biāo)題就直戳了當(dāng)?shù)貙懥?自制操作系統(tǒng) 這幾個字，而且一看哇 30 天就能搞定，一下讓好多不敢跨出第一步的人有了信心。
這本書會把讀者當(dāng)作完全沒有計算機基礎(chǔ)的小白，所以很多地方非常友好，跟著它走一遍完全可以讓你度過冷啟動時期了。
但這本書同樣也有讓人想中途放棄的一些點，比如我就很煩這些地方。一個是它從官網(wǎng)上下載的源碼是日語注釋的，搞的當(dāng)時我好多地方還找我朋友幫我翻譯。另一個是他用的工具都是這個作者自己寫的，這固然比較牛逼，但我就想難不成做操作系統(tǒng)連個現(xiàn)成的業(yè)界常用的工具也沒有么，我學(xué)了你的工具也沒有普適性啊。再有就是作者后面的篇幅花好多時間講圖形界面要怎么做，怎么在屏幕上畫一個個方框作為窗口，還想互不影響。這個因人而異吧，我是覺得不必花費如此大的篇幅，這不是想寫操作系統(tǒng)的人的痛點所在。
總之，通過一本書，或者一篇文章，或者一個領(lǐng)路人的帶領(lǐng)之下，你邁出了第一步，度過了冷啟動時期，來到了初期。
初期
你照葫蘆畫瓢，一個指令都不敢修改，終于照著書上的代碼，成功在一個虛擬機或者真機上看到了“hello world”，或者牛逼一點看到了 AAABBB 線程切換方式交替打印的字符串。
這時候你寫操作系統(tǒng)的恐懼已經(jīng)沒有了，但你不滿足于現(xiàn)狀，因為這個“hello world”并不是你自己的東西，你甚至都不知道里面的代碼是什么含義，可能當(dāng)時只是 copy 過來的。
你不在需要一個手把手教你的書籍，更多的是需要告訴你通用的原理，以及操作系統(tǒng)思想的書籍。
我在這個時期的書籍是《操作系統(tǒng)真相還原》，這本書一上來就講述了一些你可能感到困惑的問題
0.1 操作系統(tǒng)是什么
0.2 你想研究到什么程度
0.3 寫操作系統(tǒng)，哪些需要我來做
0.4 軟件是如何訪問硬件的
0.5 應(yīng)用程序是什么，和操作系統(tǒng)是如何配合到一起的
0.6 為什么稱為“陷入”內(nèi)核
0.7 內(nèi)存訪問為什么要分段
0.8 什么是平坦模型
我一看這目錄我的媽呀，這不就是我讀完《30 天自制操作系統(tǒng)》后所產(chǎn)生的疑問么！于是這本書可以說是我在這條路上，讀的最爽的書，一個個疑問就是在這本書里被一一找到答案的。
不過其實我覺得對于有計算機基礎(chǔ)并且還不錯的人來說，這本書完全可以作為冷啟動時期的第一本書了。
這本書不會像 30 天一樣，在手把手這種細(xì)節(jié)上下太大功夫，比如 30 天這本書很逗，居然在教你如何用鍵盤按出 512 個 0 這個問題上寫了好多行，還說你家如果有小貓的話可以棒棒忙。所以這本書的篇幅會放在一些真正重點的問題上。
你讀完這本書，結(jié)合著網(wǎng)上的資料和自己動手實踐，已經(jīng)可以用自由意志來對照葫蘆畫瓢的操作系統(tǒng)進行微調(diào)了。此時你已經(jīng)成功度過了初期，開始向中期邁進！
不過別看一句話就總結(jié)完了，這中間你很可能會放棄，因為單單這本書的知識量就非常龐大了，如果之前從沒有接觸過，想要消化它，不是一件簡單的事。
比如我在這個階段，就中途放棄過兩三次，因為我老想著跳過一些我覺得“沒用的”章節(jié)，可往往都是看到后面，又要重新翻回來把前面的補上。有的時候也因為，明明和書上寫的一樣，但我的程序就是報錯，導(dǎo)致后面的沒法進行。操作系統(tǒng)就是這樣，前面的加載 loader、設(shè)置中斷、設(shè)置分段分頁、進入保護模式這些步驟是串行的，每一步都不能出一丁點錯誤，否則后面的步驟會被前面的步驟卡住，遇到問題沒法跳過，就像你做一張數(shù)學(xué)試卷，必須從第一題開始順序做到最后一題，而且前面的正確了才能往后繼續(xù)做一樣。
虛擬機崩了...
中期
千辛萬苦來到中期，這里的人可能已經(jīng)不多了，但到了這里你會認(rèn)識一大批和你一樣在掙扎的人，新世界的大門可能就此打開，所以對你來說，其實你會覺得自己做操作系統(tǒng)的人好多啊，而且高手如云。
因為雖然你可以按照自己的意志對寫好的操作系統(tǒng)有一些微調(diào)，也對操作系統(tǒng)的各個部分有了一個模糊的認(rèn)識，但總是甩不開你所看的書的影子，簡單說就是沒見識。
我當(dāng)時呢，就被《操作系統(tǒng)真相還原》里的操作系統(tǒng)的思路舒服著，總是認(rèn)為就應(yīng)該把內(nèi)核映射到內(nèi)存高端的空間上，要用很取巧的辦法設(shè)計頁表。總之就是見識少，因為只知道一種實現(xiàn)方式，所以覺得天下的操作系統(tǒng)都是這個鬼樣。
因為好歹是有點知識量在了，這個階段一些操作系統(tǒng)領(lǐng)域的大牛（反正是比你厲害很多的人啦），會稍稍理一理你了，可能語氣會從原來的拉黑，變成“哦”，再到現(xiàn)在的“嗯嗯”。
xbook操作系統(tǒng)開發(fā)者 b站我叫小骨頭
你也會加入到一些群或者一些社區(qū)當(dāng)中，認(rèn)識更多的大佬。你會發(fā)現(xiàn)，你眼中的這個操作系統(tǒng)，在他們眼里就是個其中一種很常規(guī)的或者說很過時的方式而已。于是乎你在慢慢的影響下，也打開了思路，決定了解更多的操作系統(tǒng)。
我呢，當(dāng)時的選擇是閱讀 linux 源碼，并嘗試仿寫一個（最后仿寫這一步放棄了）。
linux0.11源碼
這我感覺，只要這一步你的選擇是了解一款經(jīng)典的操作系統(tǒng)，那還能選什么呢，只能是 linux 吧哈哈。
這一時期的書籍呢，也比較多，我的話是通過《linux 內(nèi)核設(shè)計的藝術(shù)》來簡單了解 linux 的整個流程和脈絡(luò)，再通過《linux 內(nèi)核完全注釋》配合著 linux 的源碼進行重點源碼逐行了解，還通過和一款開源操作系統(tǒng) bookos 的作者進行交流，進一步了解一個成熟操作系統(tǒng)需要考慮的問題。
bookos - xbook2 運行截圖（來自該作者的官網(wǎng)）
linux 有些了解后，便通過仿寫的形式來進一步加深理解。但仿寫最終放棄了，因為即便是 linux0.11 的源代碼，里面都非常復(fù)雜，完全仿寫還是很費時間的。于是便將自己認(rèn)為純苦力的工作簡化，比如 linux 會根據(jù)內(nèi)存大小來劃分內(nèi)存區(qū)域，我就直接寫死了 32M 內(nèi)存。再比如 linux 支持的硬盤數(shù)是動態(tài)變化的，我就直接只支持一塊硬盤，這樣里面好多數(shù)組，for 循環(huán)，就都展開了，我覺得對理解一個操作系統(tǒng)，這些工作無關(guān)緊要。
這里說個小插曲，讀 linux 源碼，有時候差點沒把我氣死。linus 這個人太調(diào)皮了，好多地方的注釋寫的大概是這種風(fēng)格。/*_ emm，這里我也不知道有啥用，不過先寫上吧，我樂意，嘿嘿 _/ 對于正在苦苦理解源碼的我，簡直不友好
奉上一段 linux 的源碼，來自 main.c
插曲結(jié)束，回到正題。
這時候找書便不再是你的難題了，你會自發(fā)的去找自己需要的書籍，并且每個人想關(guān)注的點不同，也會找不同的側(cè)重點去深入了解。比如 linux 早期版本中是沒有網(wǎng)絡(luò)模塊的，所以如果側(cè)重點在網(wǎng)絡(luò)編程，那就專門找如《linux 內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)模型》這種書。有時候一些驅(qū)動程序，和一些比較好的操作系統(tǒng)變編程習(xí)慣，我也會通過如《一個 64 位操作系統(tǒng)的實現(xiàn)》這類書的部分章節(jié)來強化。
而且這個階段你不在寂寞，會有很多同行者和你一起，也會有很多小白請教你問題。
后期
此時，一個操作系統(tǒng)的框架，你應(yīng)該已經(jīng)摸清楚了，但你不可能深入每一個細(xì)節(jié)。此時，也不是堅不堅持的問題了，而是選擇的問題。你要你的操作系統(tǒng)不但支持 x86 還支持 arm 么？你要把各種驅(qū)動程序都完善么？你要做優(yōu)美的圖形化界面么？你要深入學(xué)習(xí)顯卡方面的編程么？你要加入制作國產(chǎn)操作系統(tǒng)的大軍么？
我的選擇是不，所以我止步于此了，因為我是
因為我當(dāng)初決定入坑的時候，是為了對我現(xiàn)在所做的工作有更深入的理解。我是個軟件工程師，是 Java 程序員，并不是專門做嵌入式，專門做內(nèi)核開發(fā)的從業(yè)者。所以我認(rèn)為再往后繼續(xù)深入可以，但已經(jīng)沒必要向前中期那樣集中火力搞了，而是利用閑散時間能多了解就多了解，按需學(xué)習(xí)。
當(dāng)然你也可以選擇繼續(xù)，我覺得不論是止步于此，還是繼續(xù)往下走，都是有好處的。
我的經(jīng)歷小結(jié)
冷啟動：《30 天自制操作系統(tǒng)》
初期：《操作系統(tǒng)真相還原》
中期：《linux 內(nèi)核設(shè)計的藝術(shù)》《linux 內(nèi)核完全注釋》+ linux0.11 源碼
后期：止步
這個系列要寫什么
要寫一個極簡的操作系統(tǒng)教程，帶你入坑
如果說屬于上述哪個階段的教程的話，我覺得處于冷冷啟動階段，因為無論是冷啟動、初期還是中期，都有讓人放棄的點，而這個冷冷啟動階段的極簡教程，會讓你在上面的各個階段，都不那么容易放棄。
我曾經(jīng)寫過這樣的系列，但一開始總是定很大的目標(biāo)，期待讀者除了我的系列文章外，不需要讀任何資料就可以完全按照我的教程完成一個操作系統(tǒng)的制作，但往往很不現(xiàn)實，也沒有必要，完全不是一個系列文章該做的事。下面是我在博客園折騰的系列們...
系列文章無法做到足夠細(xì)致，只有大部頭的書籍才能做到這一點。但上面的每一本書，部頭真的都非常大，很容易讓人放棄，從而錯失一本好書和一個入坑的機會，我在每本書上都放棄過兩三次。而網(wǎng)上，簡單的自制操作系統(tǒng)的文章，又過于簡單，完全無法讓人達(dá)到入坑的標(biāo)準(zhǔn)。
所以為了解決這個痛點，我決定根據(jù)自己的經(jīng)歷，結(jié)合書本上的知識，反思之前寫過的教程中的一些缺點，出這樣一個極簡教程的系列，其知識密度介于大部頭書籍和網(wǎng)上的文章之間。
該教程的核心目標(biāo)是，讓讀者對制作一個操作系統(tǒng)的核心流程，應(yīng)該掌握的知識，需要經(jīng)歷的過程，和需要克服的心理障礙，做到心中有數(shù)，不再畏懼，做好入坑自制操作系統(tǒng)的正確姿勢。并且在深入學(xué)習(xí)的過程中，不斷的會有“哦，原來這個系列說的 xxx 就是這個意思呀”的正向反饋，這一點是非常重要的。因為技術(shù)的學(xué)習(xí)過程中之所以會放棄，一個原因是興趣不夠，另一個原因就是“我理解了”這種正向反饋不夠。那本系列，我希望會在你后續(xù)深入學(xué)習(xí)的過程中，這個系列的影子會一直陪伴你，給你這種正向反饋和繼續(xù)下去的動力，當(dāng)然，最好還能讓你提升興趣，甚至讓本不想親手制作操作系統(tǒng)的人，也打開這個新世界的大門。
本來還想寫個目錄，后來想想算了，中途的思路很可能要根據(jù)實際情況來調(diào)整，就當(dāng)作給大家的期待吧。
先送你一份入坑禮物
這可能是 全網(wǎng)最簡單的操作系統(tǒng) demo，啥也不能干，就做到了能接受鍵盤參數(shù)往屏幕上打印。最誘人的一點就是，如果你是 Windows 操作系統(tǒng)，你直接源碼下載下來，點擊 run.bat，不用安裝任何環(huán)境，直接就可以運行。這可能是好多入坑小伙伴夢寐以求的一個 demo 吧，地址奉上：
https://gitee.com/sunym1993/flash-4th-os.git
flash-4th-os 運行截圖
為什么是 flash-4th-os 呢？因為我英文名叫 Flash，然后我寫的前三次都放棄了，這是我寫的第四個，哈哈哈。
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的自制 os 极简教程1：写一个操作系统有多难的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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