CS16-操作系统

MIT 6.S081: Operating System Engineering

课程简介

所属大学：麻省理工学院
先修要求：体系结构 + 扎实的 C 语言功底 + RISC-V 汇编语言
编程语言：C, RISC-V
课程难度：🌟🌟🌟🌟🌟
预计学时：150 小时

麻省理工学院大名鼎鼎的 PDOS 实验室开设的面向MIT本科生的操作系统课程。开设这门课的教授之一 —— Robert Morris 教授曾是一位顶尖黑客，世界上第一个蠕虫病毒 Morris 就是出自他之手。

这门课的前身是 MIT 著名的课程 6.828，MIT 的几位教授为了这门课曾专门开发了一个基于 x86 的教学用操作系统 JOS，被众多名校作为自己的操统课程实验。但随着 RISC-V 的横空出世，这几位教授又基于 RISC-V 开发了一个新的教学用操作系统 xv6，并开设了 MIT6.S081 这门课。由于 RISC-V 轻便易学的特点，学生不需要像此前 JOS 一样纠结于众多 x86 “特有的”为了兼容而遗留下来的复杂机制，而可以专注于操作系统层面的开发。

这几位教授还专门写了一本教程，详细讲解了 xv6 的设计思想和实现细节。

这门课的讲授也很有意思，老师会带着学生依照 xv6 的源代码去理解操作系统的众多机制和设计细节，而不是停留于理论知识。每周都会有一个 lab，让你在 xv6 上增加一些新的机制和特性，非常注重学生动手能力的培养。整个学期一共有 11 个 lab，让你全方位地深刻理解操作系统的每个部分，非常有成就感。而且所有的lab都有着非常完善的测试框架，有的测试代码甚至上千行，让人不得不佩服 MIT 的几位教授为了教好这门课所付出的心血。

这门课的后半程会讲授操作系统领域的多篇经典论文，涉及文件系统、系统安全、网络、虚拟化等等多个主题，让你有机会接触到学界最前沿的研究方向。

课程资源

课程网站：https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2021/schedule.html
课程视频：https://www.youtube.com/watch?v=L6YqHxYHa7A，每节课的链接详见课程网站
课程视频翻译文档：https://mit-public-courses-cn-translatio.gitbook.io/mit6-s081/
课程教材：https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2021/xv6/book-riscv-rev2.pdf
课程作业：https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2021/schedule.html，11个lab，具体要求详见课程网站

xv6 补充资源

资源汇总

@PKUFlyingPig 在学习这门课中用到的所有资源和作业实现都汇总在 PKUFlyingPig/MIT6.S081-2020fall – GitHub 中。

@KuangjuX 编写了 MIT 6.S081 的 lab 的题解，里面有详细的解法和补充知识。另外，@KuangjuX还使用 Rust 语言重新实现了 xv6-riscv 操作系统：xv6-rust，里面对于 xv6-riscv 有更为详细的思考和讨论，感兴趣的同学可以看一下哦。

一些可以参考的博客

UCB CS162: Operating System

课程简介

所属大学：UC Berkeley
先修要求：CS61A, CS61B, CS61C
编程语言：C, x86汇编
课程难度：🌟🌟🌟🌟🌟🌟
预计学时：200 小时+，上不封顶

这门课让我记忆犹新的有两个部分：

首先是教材，这本书用的教材 Operating Systems: Principles and Practice (2nd Edition) 一共四卷，写得非常深入浅出，很好地弥补了 MIT6.S081 在理论知识上的些许空白，非常建议大家阅读。相关资源会分享在本书的经典书籍推荐模块。

其次是这门课的 Project —— Pintos。Pintos 是由 Ben Pfaff 等人在 x86 平台上编写的教学用操作系统，Ben Pfaff 甚至专门发了篇 paper 来阐述 Pintos 的设计思想。

和 MIT 的 xv6 小而精的 lab 设计理念不同，Pintos 更注重系统的 Design and Implementation。Pintos 本身仅一万行左右，只提供了操作系统最基本的功能。而 4 个Project，就是让你在这个极为精简的操作系统之上，分别为其增加线程调度机制 (Project1)，系统调用 (Project2)，虚拟内存 (Project3) 以及文件系统 (Project4)。所有的 Project 都给学生留有很大的设计空间，总代码量在 2000 行左右。根据 Stanford 学生自己的反馈，在 3-4 人组队的情况下，后两个 Project 的人均耗时也在 40 个小时以上。

虽然难度很大，但 Stanford, Berkeley, JHU 等多所美国顶尖名校的操统课程均采用了 Pintos。如果你真的对操作系统很感兴趣，Pintos 会极大地提高你编写和 debug 底层系统代码的能力。在本科阶段，能自己设计、实现并 debug 一个大型系统，是一段非常珍贵的经历。

北大 2022 年春季学期的操作系统实验班也将会首次引入 Pintos 作为课程 Project。我和该课程的另一位助教整理并完善了 Pintos 的实验文档，并利用 Docker 配置了跨平台的实验环境，想自学的同学可以按文档自行学习。在毕业前的最后一个学期，希望能用这样的尝试，让更多人爱上系统领域，为国内的系统研究添砖加瓦。

课程资源

课程网站：https://cs162.org/
课程视频：https://www.youtube.com/watch?v=YfHY0pvpRkk，每节课的链接参见课程网站
课程教材：Operating Systems: Principles and Practice (2nd Edition)
课程作业：https://cs162.org/，6 个 Homework, 3 个 Project，具体要求参见课程网站

资源汇总

由于北大的操统实验班采用了该课程的 Project，为了防止代码抄袭，我的代码实现没有开源。

NJU OS: Operating System Design and Implementation

课程简介

所属大学：南京大学
先修要求：体系结构 + 扎实的 C 语言功底
编程语言：C 语言
课程难度：🌟🌟🌟🌟
预计学时：150 小时

之前一直听说南大的蒋炎岩老师开设的操作系统课程讲得很好，久闻不如一见，这学期有幸在 B 站观看了蒋老师的课程视频，确实收获良多。蒋老师作为非常年轻的老师，有着丰富的一线代码的经验，因此课程讲授有着满满的 Hacker 风格，课上经常“一言不合”就在命令行里开始写代码，很多重要知识点也都配有生动直白的代码示例。让我印象最为深刻的就是老师为了让学生更好地理解动态链接库的设计思想，甚至专门实现了一个迷你的可执行文件与一系列的二进制工具，让很多困扰我多年的问题都得到了解答。

这门课的讲授思路也非常有趣，蒋老师先从“程序就是状态机”这一视角入手，为“万恶之源”并发程序建立了状态机的转化模型，并在此基础上讲授了并发控制的常见手段以及并发 bug 的应对方法。接着蒋老师将操作系统看作一系列对象（进程/线程、地址空间、文件、设备等等）以及操作它们的 API （系统调用）并结合丰富的实际例子介绍了操作系统是如何利用这系列对象虚拟化硬件资源并给应用软件提供各类服务的。最后的可持久化部分，蒋老师从 1-bit 的存储介质讲起，一步步构建起各类存储设备，并通过设备驱动抽象出一组接口来方便地设计与实现文件系统。我之前虽然上过许多门操作系统的课程，但这种讲法确实独此一家，让我收获了很多独到的视角来看待系统软件。

这门课除了在理论知识的讲授部分很有新意外，注重实践也是蒋老师的一大特点。在课堂和编程作业里，蒋老师会有意无意地培养大家阅读源码、查阅手册的能力，这也是计算机从业者必备的技能。在完成第五个 MiniLab 期间，我第一次仔仔细细阅读了微软的 FAT 文件系统手册，收获了一次非常有价值的经历。

编程作业共由 5个 MiniLab 和 4个 OSLab 组成。美中不足的是作业的评测机是不对校外开放的，不过在邮件“骚扰”后蒋老师还是非常慷慨地让我成功蹭课。由于课余时间有限我只完成了 5个 MiniLab，总体体验非常棒。尤其是第二个协程实验让我印象最为深刻，在不到百行的小实验里深刻体验了上下文切换的美妙与“可怕”。另外其实几个 MiniLab 都能非常方便地进行本地测试，就算没有评测机也不影响自学，因此希望大家不要聚众“骚扰”老师以图蹭课。

最后再次感谢蒋老师设计并开放了这样一门非常棒的操作系统课程，这也是本书收录的第一门国内高校自主开设的计算机课程。正是有蒋老师这些年轻的新生代教师在繁重的 Tenure 考核之余的用爱发电，才让无数学子收获了难忘的本科生涯。也期待国内能有更多这样的良心好课，我也会第一时间收录进本书中让更多人受益。