自己的操作系统

什么是操作系统？

操作系统，也称为 OS，是充当您与计算机硬件之间中介的软件。

它允许您运行程序、管理文件、连接互联网，以及几乎控制计算机所做的一切。最常见的例子是 Windows、macOS、Linux 和 Android。

这些计算机大脑协调和控制每一项任务，以确保事情顺利进行，没有太多波折。

拥有自己的操作系统意味着什么？

当我们说开发你自己的操作系统或使用你自己的操作系统时，我们通常指的是不使用市场上的 操作系统，例如 Windows 或 macOS。您将自己开发应用程序，或者定制一个现有的开源操作系统，以满足您的需求。

通常，这是为了个人项目、另一个企业或爱好性商业冒险。总之，这关乎了解您的计算机在什么层面上运行。

为什么有人会创建或使用自己的操作系统？

构建或使用自己的操作系统可能看起来是一项艰巨的任务，但人们这样做有几个非常好的理由。

• 定制：使用通用操作系统会将您限制在那些开发者的决定和选择中；使用您自己的操作系统意味着您可以决定一切，以精确地满足您要完成的任务的要求，或适合您自己的偏好。
• 安全与隐私：操作系统通常存在安全漏洞以及隐私问题。如果您自己设计一个操作系统，或者选择一个不太为人知的替代方案，就有可能创建一个更安全的操作系统，从而获得更好的安全控制，并降低恶意软件或跟踪的可能性。
• 学习与实验：对于任何对软件开发或 计算机科学 感兴趣的人来说，这是一个了解计算机工作原理的机会。这就像打开汽车引擎盖，了解引擎中所有复杂的组成部分——这是欣赏幕后发生的事情的一个非常好的方式。
• 优化性能：有时，您会发现主流操作系统捆绑了大量您可能根本不需要的附加功能和程序。自定义操作系统可以让您摆脱所有这些非必需组件，为您提供一个精简、高效的系统，并针对速度进行优化。
• 专用用例：特定领域或应用程序需要非常专业的环境，而普通操作系统无法提供。例如，科学研究、嵌入式系统或工业机器可能需要专门设计的操作系统来满足其特定需求。
• 安全与隐私：自定义操作系统可以更好地控制安全措施。当您设计系统时，您可以实现独特的安全协议，使攻击者更难发现漏洞。

构建自己操作系统的挑战

拥有自己的操作系统是一个非常有益的项目，但它确实有一些挑战。以下是您可能面临的最显著的困难。

• 复杂性：构建操作系统是一件非常复杂的事情，因为它不仅需要计算机科学、编程和硬件知识，还需要大量的辛勤工作。所以这不能轻易地在一个周末完成。
• 兼容性问题：现代操作系统内置了对几乎所有类型的硬件和软件的大量支持。如果您正在构建自己的操作系统，您自然会希望确保它能够与您想要的设备和您想要使用的程序协同工作。
• 维护：升级操作系统以包含安全补丁、新功能和修复错误可能是一项艰巨的任务，尤其是当您负责所有维护工作时。
• 社区与支持：使用 Windows 或 Linux 等流行操作系统的巨大优势在于，拥有庞大的用户和开发者社区，他们可以帮助您解决问题。如果出现问题，自己的操作系统可能会让用户束手无策。
• 维护：不断使用最新的安全补丁、功能和错误修复来升级操作系统需要付出很多努力，尤其是当只有您一个人维护它时。
• 社区与支持：使用 Windows 或 Linux 等流行操作系统最大的优势在于拥有庞大的用户和开发者社区，他们可以在出现问题时提供帮助进行调试。当出现问题时，在开发自己的操作系统时，您可能会完全孤立无援。

创建或使用自己操作系统的选项

1. 最复杂但最有益的方法

• 这是从头开始构建操作系统。在这种方法中，您需要编写代码来管理一切，从系统进程和内存分配到硬件交互和用户界面，这意味着需要对 C 或汇编编程语言有深入的了解，并能完全控制操作系统的各个方面。
• 虽然这是一项挑战，但这是深入了解计算机工作原理基础知识的绝佳方式。

2. 修改现有操作系统

• 如果从头开始太吓人，那么修改现有的开源操作系统（如 Linux）可能是一个不错的选择。
• 无论如何，有了 Linux 和其他开源平台，您就获得了源代码，因此能够根据自己的意愿修改操作系统。
• 这是一个优势，因为您站在巨人的肩膀上，可以将大部分精力集中在添加或更改对您来说最重要的功能上。

3. 使用轻量级或小众操作系统进行定制操作系统平台开发

• 这些实际上是许多不太知名的操作系统，它们是为特定目的创建的，例如 FreeBSD、Haiku 或其他。
• 它们通常体积较小，设计上易于修改且非常灵活，这使得它们易于修改。
• 这是从头开始创建与在主流操作系统平台约束下工作之间取得的良好平衡。

一些流行的自定义和细分操作系统的示例

有些操作系统可能没有那么出名，但它们在技术爱好者中以定制和高性能而闻名。

• Linux 发行版
  Ubuntu、Fedora 和 Arch Linux 等众多发行版是其开源类型的可定制版本。人们使用它们是因为它们在技术世界中的灵活性和强大功能。
• FreeBSD
  FreeBSD 以其在网络和安全方面的高级功能而备受赞誉，是许多开发人员在需要出色的基于 UNIX 的系统时的首选。
• ReactOS
  它是一个免费的开源操作系统，与为 Windows 制作的应用程序和驱动程序兼容，对于那些正在寻找类似于 Windows 的体验但又没有专有束缚的人来说，它是一个绝佳的解决方案。
• Haiku
  事实上，Haiku 基于 BeOS，速度快、效率高，对于多媒体应用来说非常易于使用。它是一个轻量级操作系统，专注于简洁和响应速度，因此是开发者喜欢的干净平台。
• Tiny Core Linux
  顾名思义，这是最精简的 Linux 发行版之一，只包含操作系统的最基本部分。它可以在内存和存储空间都很小的设备上运行，因此非常适合旧硬件或在特定小型应用上通用。
• QNX
  它是一种实时操作系统，广泛用于嵌入式类型应用，特别是控制汽车、医疗设备和工业机械。因此，QNX 因其在需要利用时间和性能的领域中的可靠性和速度而被优先选择。

如何开发自己的操作系统？

开发自己的操作系统是一项极具挑战性但非常令人兴奋的任务。这里需要具备扎实的计算机科学、编程和底层系统设计知识。以下是您可能如何着手开发自己的操作系统的分步指南。

步骤 1：理解基础知识

在实际编码开始之前，您应该对计算机体系结构和操作系统相关概念有良好的背景知识。您必须了解：

• 硬件 组件如何通信：与 CPU、内存 和存储。
• 进程、内存管理和 I/O 如何工作。
• 掌握汇编语言和 C 编程知识，因为大多数操作系统内核都是用这两种语言之一编写的。

步骤 2：开发环境设置

• 选择您的 IDE：您将安装一个支持低级编程的代码编辑器或 IDE（Visual Studio Code、Eclipse 等）。
• 安装交叉编译器：交叉编译器可以为您要定位的硬件架构生成代码（通常与您的开发机器不同）。

步骤 3：操作系统类型

• 单体内核：大部分操作系统在一个地址空间中运行，从而实现高性能，但使调试更加困难。
• 微内核：只有操作系统运行所必需的进程在内核模式下运行，因此更容易调试且更安全，但可能比单体系统慢。
• 根据您想要如何处理进程来确定您想要单任务还是多任务操作系统。

步骤 4：引导加载程序

• 这是计算机开机后运行的第一段代码。它初始化硬件，然后将操作系统内核加载到内存中。
• 使用汇编或 C 编写一个简单的引导加载程序。
• 您的引导加载程序应设置 CPU，管理内存并加载您的内核。
• Grub，又名 Grand Unified Bootloader，是一个很好的快速开发基础，但是，如果您要从头开始构建，可能就不太合适了。

步骤 5：设计和开发内核

• 这是您操作系统的核心。所有内存、进程、设备和系统资源管理。
• 内存管理：实现内存管理，包括内存分配、释放和分页机制。
• 进程管理：开发创建、调度和终止进程的函数。
• 文件系统：实现一个最小化的文件系统，允许您的操作系统从存储中读取和写入。

步骤 6：实现硬件交互驱动程序

• 驱动程序对于您的操作系统与键盘、鼠标、磁盘等任何硬件设备进行通信至关重要。
• 为键盘、显示器等设备编写设备驱动程序，并确保它们能够处理输入和输出操作。
• 驱动程序应与目标硬件体系结构兼容。

步骤 7：开发用户界面

• 对于基本操作系统，命令行界面 (CLI) 通常是起点。但是，您可以稍后添加图形用户界面 (GUI)。
• 您可以编写一个非常简单的 CLI，以便用户可以直接执行命令。
• 如果需要，您可以使用图形库创建一个简单的 GUI，但这需要您具备更多的知识。

步骤 8：测试和调试

• 测试是稳定性和可靠性的重要步骤。您应该
• 在 QEMU 或 VirtualBox 等模拟器中测试操作系统，并模拟各种环境。
• 通过读取系统日志等并使用调试工具来调试内存泄漏、崩溃问题和任何性能瓶颈。

步骤 9：添加高级功能

• 在基本操作系统功能实现后，应包含所有这些方面。功能包括但不限于：
• 多线程：多个进程可以同时执行的能力。
• 网络：互联网协议支持，例如 TCP/IP。
• 安全功能：用户认证和数据的保护层。

步骤 10：文档和用户手册

• 写下您的操作系统的功能、用途和限制。
• 编写用户手册，介绍如何安装、配置和使用操作系统。

可以参考的工具和资源

• 操作系统设计书籍：阅读 Andrew Tanenbaum 的《操作系统：设计与实现》等书籍。
• 开源项目：查看 Linux、FreeDOS 和 ReactOS 等开源操作系统的源代码。
• 社区论坛：参与 Stack Overflow、GitHub 和特定领域的论坛等开发者社区，获取帮助和反馈。

注意：构建自己的操作系统将让您深入了解软件如何与硬件交互，并教会您底层编程、内存管理和系统架构，这些对于任何开发人员或计算机科学家来说都是非常必要的。

法律和道德考量

在开发自己的操作系统时，您需要考虑一些规则和责任。这不仅仅是编码，还关乎正确地做事，做到合法且合乎道德。

1. 许可 - 了解您放弃了哪些权利

您需要做出的第一个决定之一是是否允许其他人使用您的操作系统；有几种类型的许可，每种都有不同的规则。

• GPL（通用公共许可证）：如果您想与世界分享您的操作系统代码。GPL 规定任何人都可以使用、修改或共享它，只要他们也保持开源。这就像说：“好的，拿走我的食谱，但如果你添加了秘密配料，你也必须与所有人分享。”。
• MIT 许可证：这个许可证稍微宽松一些。您允许任何人使用您的操作系统代码并随意处理。基本上，这就像把你的食谱送出去，说：“你想怎么处理就怎么处理，即使你开了一家餐馆。只是不要说你发明了它。”。
• Apache 许可证：类似于 MIT 许可证，但提供了额外的针对专利流氓的保护层。也就是说，如果您对您的操作系统做出了贡献，并且他们试图起诉您使用他们的代码，此许可证将保护您。

您选择的许可证真正取决于您希望如何控制人们对您作品的使用。想保持完全开放？选择 GPL。想让开发人员更轻松地在您的作品上进行构建，即使是秘密构建？MIT 或 Apache 是不错的选择。

2. 知识产权 - 保护属于您的东西

问题是，当你创作一个像操作系统这样规模和范围的作品时，你可能不希望别人未经许可就复制它；这就像画一幅杰作，你不希望别人在上面署名。

• 保持原创：确保您编写的代码确实是您的，或者已获得适当的许可。避免意外的抄袭，这可能会给你带来很多麻烦。
• 为您的代码申请版权：听起来有点高大上，但实际上是有意义的。注册版权表示：“这段代码属于我；我不会让任何人未经许可就拿走它。”。
• 尊重他人：在保护自己代码的同时，永远不要忘记尊重其他开发者的代码。如果您借鉴了开源项目的片段，请确保遵循它们的规则。不要走捷径——如果你没写，就应该归功于作者。

3. 开源道德 - 与社区友好相处

将您的操作系统开源，邀请全世界与您一起改进。然而，这同时也伴随着您方面的责任。

• 保持清晰：当一个人开放源代码时，一切都应该尽可能清晰明了。出现 bug 时，请修复它。如果有人发现漏洞，您应该修补它。开源的生命在于诚实。
• 欢迎贡献：当您发布您的操作系统时，您可能会发现开发者愿意帮助改进它。鼓励他们！许多开源项目的发展都依赖于充满激情的贡献者为项目带来新想法。您所要做的就是记住在他们做出贡献时给予他们赞扬。
• 持续承诺：开源项目就像植物一样；它们需要关怀和关注才能生长。定期的更新和良好的问题响应表明您致力于使此操作系统尽可能做到最好。
• 保持开放和封闭：如果您要为您的操作系统收费（例如，为高级功能收费），请告知他人。在开源世界中，诚实至关重要，没有人喜欢软件方面的意外。

测试和质量保证 (QA)

在自建操作系统中，测试非常重要。这是让您的作品经受考验，以确保它能够承受世界上可能发生的任何意外。以下是确保您的操作系统坚如磐石的方法。

1. 自动化测试 - 让机器人完成繁重的工作

想象一下，每次您对操作系统进行更改时，都必须手动检查每一个细微之处——这将是无休止的！自动化测试就是这样工作的。这几乎就像您创造了机器人来为您完成那些乏味、重复的工作。

• 稳定性测试：自动化测试脚本可以运行您的操作系统的核心功能，并验证在您不在场的情况下所有内容是否都能正常运行。这有助于在 bug 变得严重之前尽早发现它们。
• 性能测试：另一种类型的测试是通过自动化工具进行的，试图了解在任何情况下您的操作系统将运行得多快、响应得多好。这几乎就像给您的代码装上秒表，以便它能像一台精密的机器一样运行。
• 回归测试：每次您弄坏了东西或引入了新功能时，回归测试都可以确保您没有弄坏以前可以正常工作的东西。这是一种安全网——您试图不让事情分崩离析。

2. 用户反馈 - 倾听真实的人们的声音

无论您在实验室里如何用力地测试您的操作系统，都无法替代真实用户的反馈。然后，当您交给他们系统时，他们会指出您从未想过会被注意到的问题，而真实用户的见解对于改进您的系统来说是无价的。

• 保持简单：让用户轻松表达自己的想法。无论是反馈表、电子邮件，还是简单的“赞/踩”，您让它越容易，人们就越有可能告诉您他们的感受。
• 迭代改进：这是一个持续改进的过程，因为用户反馈应该被视为下一步的指导。如果您感觉到很多人在谈论同一个问题，那么这将是采取行动的信号。将其视为一个连续循环——发布、获取反馈、改进、重复。
• 社区参与：如果您有用户或测试人员社区，请与他们联系！感谢他们的意见，让他们知道您何时修复了他们报告的 bug，并让他们参与到开发过程中。这会创造一种归属感，并使您的操作系统更好。

3. Bug 跟踪 - 让你近距离了解你的敌人

Bug 是潜伏在代码中的小麻烦。您永远不知道它们会从哪里冒出来，并在您最不希望的时候给您带来麻烦。因此，您需要一个计划来快速捕获它们，并在它们有机会搞砸事情之前将它们清除。

• Bug 跟踪工具：您可以使用 JIRA、Bugzilla 等 Bug 跟踪工具，甚至简单的电子表格；重要的是它更有条理，这样您就能确切地知道需要修复什么以及已经完成了什么。
• 这不是优先级问题；所有 bug 都生而平等，有些像小蚊子，有些则像会崩溃您整个系统的大型恐怖怪物。首先优先处理关键 bug——那些影响您操作系统核心功能的 bug——然后向下处理那些影响相对较小的 bug。
• 协作调试：在团队中工作时，良好的 Bug 跟踪系统允许每个人都参与进来并处理问题。这更像是一个共享的任务清单，每个成员都可以领取一个任务，修复它，然后从列表中划掉。

性能优化技术

优化您的自定义操作系统是确保其平稳高效运行的关键。以下是三个需要关注的重要方面：

• 资源管理：有效地管理您系统的 CPU、内存和磁盘资源。确保任务得到妥善调度，内存得到正确分配和释放，并优化存储访问以防止性能瓶颈。
• 性能监控工具：使用内置或第三方工具实时监控系统性能。跟踪 CPU 使用率和内存可用性，并通过日志和诊断来识别任何性能问题，以实现持续改进。
• 基准测试：使用基准测试工具测试您的操作系统，以衡量其与其他系统的性能。专注于启动速度、文件处理和工作负载管理等关键领域。基准测试可以帮助您发现需要优化的领域，并展示您的操作系统在不同硬件配置下的性能。