自制操作系统（0）：开始与结束的序言

这篇序言本应该是最开始就写好的，但实际上它是最后一篇写好的，所以叫”开始与结束的序言”。

阅读下面这一系列的文章，你会看到我在实现这个操作系统过程中的一些想法。理想化地想，我想展示的是好的东西，包括看到一个庞然大物是如何从无到有的，而且每一步都有所见即所得的反馈；但现实总不是那么理想，这里面当然也有不好的东西，包括一时的纠结、挣扎，以及无奈妥协…

需要注意的是，这一系列文章可能难称得上是什么教程。 硬要说，这些只是我的一些思绪的记录和学习的笔记——在此之前，我没有哪怕一行的内核编程经验。记录这一切的目的是：我想跟大家分享开发操作系统的乐趣。当然乐趣并不意味着简单快捷，我觉得乐趣在于过程——学习的过程，挑战的过程。现在的AI很强大，我相信花上一天时间就能复制出我这几个月所做的一切（甚至比我做的要更好！）。但如果你能在阅读的过程中，哪怕只产生一条对你有用的启发，并能在日后的开发过程中想起它，那就再好不过了——你赋予了我记录这一切更深的意义。

如果你想知道我做了什么、没做什么，以及计划做什么，请阅读最后一篇“后记”文章。

有任何问题请在issue反馈，希望大家不要问太难的问题，不然我就很难回答了。

注：这个项目原本的名字叫lolios，后面改成moeos了，所以你会在后面看到许多lolios的标识。

Roadmap

一图胜千言。

上面是我用Nano Banana Pro制作的本次教程的Roadmap，我希望大家能直观地看到我们接下来将要实现的一些东西。

如果你不喜欢看图片，也可以看看我下面的讲解：

一开始，我们将会从OSDev Wiki的Bare Bone开始，制作一个内核级的Hello World，这就像新手村的训练场，让你能尝到点”战斗”的甜头，让你感觉内核编程并不是那么遥不可及的空中楼阁。后面为了项目的长稳发展，我们会把Bare Bone重构成Meaty Skeleton，因为它有更规范的项目结构；还引入了Makefile来管理构建，这样你就不需要每次都把所有的源码重新构建一遍；对于更长远的未来，它还为你做好了多平台支持的准备，这样当你后面不只想在i386指令集的CPU上运行你的操作系统时，就可以新建一个子文件夹，编写相应的适配代码…[^1] 有了Meaty Skeleton，我们就可以尝试切断与Multiboot的”脐带”，开始设置自己的GDT和IDT，走出新手村独立发展了。Interrupt Handler会是你的好帮手。

走出新手村后，我们会来到内存管理的领域——内存很大，但管理好它们不是易事。在管理内存之前，我们会先讨论如何遵循惯例，把内核迁移到高半区；再来是利用Buddy System这种巧妙的算法来管理物理内存；为了给后面寄宿在这个系统的进程一种独占内存空间的错觉，同时也是为了让它们互不干扰，我们会用Recursive Paging来以页的粒度管理虚拟化后的内存；最后，为了我们能以更小的粒度去申请内存，我们用可合并的链表+First Fit算法来实现内核堆管理器。至此，我们就能在内核层面驾驭内存了。

内存准备好后，我们会讨论另一种硬件资源的虚拟化：CPU。我们通过让进程轮流使用CPU来给它们独占CPU的错觉，并讨论一些基本的调度策略以确保尽可能的公平；同时，我们会讨论如何保存和恢复每个进程的上下文，这涉及到切换内核栈和寄存器。有了创建内核进程的基础后，我们会进一步讨论如何创建用户态进程——怎么用一段”蹦床”使我们从Ring 0（内核态）”回到”Ring 3（用户态），以及如何利用特殊的中断（系统调用）来使我们暂时陷入内核态，调用内核的代码。最后，我们会讨论怎么把用户态程序从内核代码中独立出来，封装成一个简单的指令流文件。

拥有了基本的进程基础设施后，我们会进入文件操作的领域。我们会讨论如何制作一层虚拟文件系统的抽象，来隐藏后面要适配的所有文件系统的实现细节，如何抽取出文件系统的共性特征并封装成接口。随后在VFS的基础上，我们会实现一个非常简单实用的文件系统：TARFS，并讨论如何用GRUB Module将其封装进镜像，在引导时加载进内存，以便让VFS挂载它。

有了一个基本可用的文件系统后，我们会回过头来补全进程运行的基础设施：实现用户态的malloc和free，利用它们来动态分配堆内存；再来是把用户态进程的封装进行”升级”，打包为ELF格式，并让我们的操作系统可以正确加载它；最后是结合VFS实现PipeFS，来实现管道这种进程间通信的形态。

现在，我们已经有了一个完成度不错的Hobby OS了，但我们不会停下脚步。我们会尝试实现一个TCP/IP栈：从PCI总线、RTL8139网卡驱动，到ARP、ICMP，再到鼎鼎大名的IP协议，最后是TCP协议的简单实现和UDP协议实现（剧透警告：由于时间有限，我们会做得尽量简单些，不会涉及拥塞控制和重传，发送甚至不是Send-and-Wait的，是”莽夫”式的直接发送）。利用这些基础设施，我们会实现用Telnet来访问我们的操作系统。

回到本地，我们会实现另一种进程间通信的形式：信号。这是一种很实用的机制——我们可以用中断信号来结束卡住的程序（不用再重启整个操作系统了），还可以用KILL信号来杀死别的进程或自己的进程。同时，我们不会满足于一个只读的文件系统，我们会讨论如何适配Ext2文件系统——这显然不是一件易事。之后我们会实现ProcFS，并基于它开发ps、netstat和kill。

在故事的最后，我们终于可以尝试移植一些软件了。由于前面对POSIX规范的忽视，在这里我们会吃到不少苦头，但最终，我们会把Kilo——这个小巧的文本编辑器——移植到我们的系统；最后，我们会把DOOM移植到我们的系统，并自豪地说出——It runs DOOM! 至此，我们的操作系统之旅就此暂告一段落。

就这样，翻开新的一页，我们开始吧。

[^1]: 实际上，”想长远一点”是很重要的事情。从现在我所处的位置回顾整个项目，我就吃了不少因为一时的急躁和短视埋下的坑带来的苦头（你会在阅读后面的文章时体会到这一点）！当然，这不是让你陷入完美主义的陷阱，你可以在原地进行迭代，但不要指望让未来的自己来完成这些——也就是人们常说的：不要相信程序员写下的每一个 // TODO。