我還想說一下為什么我認(rèn)為學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)是挑戰(zhàn)和樂趣并存的？以及為什么我們需要專門針對(duì)操作系統(tǒng)設(shè)置一門課程？

學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)比較難的一個(gè)原因是，內(nèi)核的編程環(huán)境比較困難。當(dāng)你在編寫、修改，擴(kuò)展內(nèi)核，或者寫一個(gè)新的操作系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)，你實(shí)際上在提供一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施讓別人來運(yùn)行他們的程序。當(dāng)程序員在寫普通的應(yīng)用程序時(shí)，應(yīng)用程序下面都是操作系統(tǒng)。而當(dāng)我們?cè)跇?gòu)建操作系統(tǒng)時(shí)，在操作系統(tǒng)下面就是硬件了，這些硬件通常會(huì)更難處理。在這門課程中，我們會(huì)使用一個(gè)叫做QEMU的硬件模擬器，來模擬CPU和計(jì)算機(jī)。這會(huì)簡(jiǎn)單一些，但即使這樣，編程環(huán)境還是比較惡劣。

學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)比較難的另一個(gè)原因是，當(dāng)你在設(shè)計(jì)一個(gè)操作系統(tǒng)時(shí)，你需要滿足一些列矛盾的需求。

• 其中一個(gè)是，你想要你的操作系統(tǒng)既高效又易用。高效通常意味著操作系統(tǒng)需要在離硬件近的low-level進(jìn)行操作，而易用則要求操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序提供抽象的high-level可移植接口。所以，提供一個(gè)簡(jiǎn)單可移植，同時(shí)又高效的抽象接口需要一定的技巧。

• 另一個(gè)矛盾的點(diǎn)是，我們想要提供一個(gè)非常強(qiáng)大的操作系統(tǒng)服務(wù)，這樣操作系統(tǒng)才能分擔(dān)運(yùn)行應(yīng)用程序的負(fù)擔(dān)，所以我們需要強(qiáng)大的操作系統(tǒng)服務(wù)。但同時(shí)，我們也想要有簡(jiǎn)單的接口。我們不想程序員看到數(shù)量巨多，復(fù)雜且難以理解的的內(nèi)核接口。因?yàn)?，如果他們不理解這些接口，他們就會(huì)很難使用這些接口。所以，我們也想要簡(jiǎn)單的API。實(shí)際上是有可能提供既簡(jiǎn)單，同時(shí)又包含強(qiáng)大功能的接口。所以，這里要提供一個(gè)簡(jiǎn)單的接口，同時(shí)又包含了強(qiáng)大的功能。

學(xué)生提問：系統(tǒng)調(diào)用跳到內(nèi)核與標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)調(diào)用跳到另一個(gè)函數(shù)相比，區(qū)別是什么？

Robert教授：Kernel的代碼總是有特殊的權(quán)限。當(dāng)機(jī)器啟動(dòng)Kernel時(shí)，Kernel會(huì)有特殊的權(quán)限能直接訪問各種各樣的硬件，例如磁盤。而普通的用戶程序是沒有辦法直接訪問這些硬件的。所以，當(dāng)你執(zhí)行一個(gè)普通的函數(shù)調(diào)用時(shí)，你所調(diào)用的函數(shù)并沒有對(duì)于硬件的特殊權(quán)限。然而，如果你觸發(fā)系統(tǒng)調(diào)用到內(nèi)核中，內(nèi)核中的具體實(shí)現(xiàn)會(huì)具有這些特殊的權(quán)限，這樣就能修改敏感的和被保護(hù)的硬件資源，比如訪問硬件磁盤。我們之后會(huì)介紹更多有關(guān)的細(xì)節(jié)。

• 最后一個(gè)矛盾點(diǎn)是所有的操作系統(tǒng)需要滿足的。你希望給與應(yīng)用程序盡可能多的靈活性，你不會(huì)想要限制應(yīng)用程序，所以你需要內(nèi)核具備靈活的接口。但是另一方面，你的確需要在某種程度上限制應(yīng)用程序，因?yàn)槟銜?huì)想要安全性。我們希望給程序員完全的自由，但是實(shí)際上又不能是真正的完全自由，因?yàn)槲覀儾幌胍绦騿T能直接訪問到硬件，干擾到其他的應(yīng)用程序，或者干擾操作系統(tǒng)的行為。

  
  

設(shè)計(jì)一個(gè)好的操作系統(tǒng)還是有可能的，我們后面會(huì)大量討論這個(gè)話題。但是想要同時(shí)提供上圖中兩列里面的屬性，還是有點(diǎn)難的。

另一件使得操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難且有趣的點(diǎn)是：操作系統(tǒng)提供了大量的特性和大量的服務(wù)，但是它們趨向于相互交互。有時(shí)，這種交互以奇怪的方式進(jìn)行，并且需要你大量的思考。即使在我之前給出的一個(gè)簡(jiǎn)單例子中，對(duì)于open和fork，它們之間也可能有交互。如果一個(gè)應(yīng)用程序通過open系統(tǒng)調(diào)用得到了一個(gè)文件描述符fd。之后這個(gè)應(yīng)用程序調(diào)用了fork系統(tǒng)調(diào)用。fork的語義是創(chuàng)建一個(gè)當(dāng)前進(jìn)程的拷貝進(jìn)程。而對(duì)于一個(gè)真正的拷貝進(jìn)程，父進(jìn)程中的文件描述符也必須存在且可用。所以在這里，一個(gè)通過open獲得的文件描述符，與fork以這種有趣的方式進(jìn)行交互。當(dāng)然，你需要想明白，子進(jìn)程是否能夠訪問到在fork之前創(chuàng)建的文件描述符fd。在我們要研究的操作系統(tǒng)中答案是，Yes，需要能夠訪問。

另一件有趣的事情，我之前也提到過，操作系統(tǒng)需要能夠滿足廣泛的使用場(chǎng)景。相同的操作系統(tǒng)需要既給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器使用，又給智能手機(jī)使用。隨著時(shí)間的推移，你的計(jì)算機(jī)所使用的硬件也在變化，或許你有了超級(jí)快的SSD存儲(chǔ)而不是機(jī)械的硬盤。大概15年前，多核CPU計(jì)算機(jī)還極其稀有，而現(xiàn)在變得極其的流行。最近，我們又看到了網(wǎng)速以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。所有的這些都需要時(shí)不時(shí)的重新思考，操作系統(tǒng)是如何被設(shè)計(jì)的。

前面理性的分析了一下為什么你要學(xué)習(xí)這門課程。同時(shí)，這里也有一些更加實(shí)際的原因來告訴你為什么會(huì)選擇這門課程。

• 其中一個(gè)原因是，如果你對(duì)于計(jì)算機(jī)的運(yùn)行原理感興趣，對(duì)于你打開計(jì)算機(jī)以后實(shí)際發(fā)生的事情感興趣，那么這門課程你就選對(duì)了。

• 類似的，如果你喜歡基礎(chǔ)架構(gòu)，比如你喜歡構(gòu)建一些其他程序可以使用的服務(wù)，那么這門課程都是有關(guān)基礎(chǔ)架構(gòu)的內(nèi)容，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)就是基礎(chǔ)架構(gòu)。

• 如果你曾經(jīng)花費(fèi)了大量的時(shí)間來定位應(yīng)用程序的Bug，或者定位安全的問題，那么你會(huì)發(fā)現(xiàn)這些經(jīng)歷通常需要理解操作系統(tǒng)是如何運(yùn)作的。比如從根本上來說，操作系統(tǒng)涉及了很多安全相關(guān)的策略。當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)，操作系統(tǒng)需要來收拾殘局，而這一步也通常包括在定位問題中。

學(xué)生提問：對(duì)于應(yīng)用程序開發(fā)人員來說，他們會(huì)基于一些操作系統(tǒng)做開發(fā)，真正的深入理解這些操作系統(tǒng)有多重要？他們需要成為操作系統(tǒng)的專家嗎？

Robert教授：你不必成為一個(gè)專家。但是如果你花費(fèi)大量時(shí)間來開發(fā)，維護(hù)并調(diào)試應(yīng)用程序，你最終還是會(huì)知道大量操作系統(tǒng)的知識(shí)。不論你是否是有意要掌握這些知識(shí)，它們就是出現(xiàn)了，而你不得不去理解它們。

學(xué)生提問：對(duì)于一些例如Python的高階編程語言（高階是指離自然語言更接近，低階是指離機(jī)器語言更接近如C，匯編），它們是直接執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用呢，還是內(nèi)部對(duì)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行了封裝呢？

Robert教授：許多高階的編程語言都離系統(tǒng)調(diào)用較遠(yuǎn)，這是一個(gè)事實(shí)。部分原因是很多編程語言想要提供可以在多個(gè)操作系統(tǒng)上運(yùn)行的可移植的環(huán)境，所以它們不能依賴特定的系統(tǒng)調(diào)用。所以，對(duì)于這個(gè)問題的答案我認(rèn)為是，如果你使用了Python，你在某種程度上就與系統(tǒng)調(diào)用接口隔離了。當(dāng)然，在Python內(nèi)部，最終還是要執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用來完成相應(yīng)的工作。當(dāng)然，Python和許多其他的編程語言通常都有方法能直接訪問系統(tǒng)調(diào)用。