写一个操作系统内核有多难？大概的内容、步骤是什么？

写一个操作系统内核是计算机科学领域中最具挑战性、也最具回报性的项目之一。它需要对底层硬件、计算机体系结构、数据结构和算法有深入的理解，并且需要极强的耐心、毅力和解决问题的能力。

难度评估：

写一个操作系统内核的难度是极高的，可以从以下几个方面体现：

底层硬件交互的复杂性： 内核直接与CPU、内存控制器、设备驱动程序（如硬盘、网卡、显卡、键盘、鼠标等）进行交互。这需要理解各种硬件的寄存器、中断机制、DMA（直接内存访问）等。
并发和同步的挑战： 在多任务环境中，多个进程或线程可能同时访问共享资源。如何安全、高效地管理这些并发访问是内核设计的核心难题，需要精通锁、信号量、互斥量等同步原语。
内存管理的复杂性： 内核负责管理整个系统的物理内存和虚拟内存。这包括内存分配、释放、分页、分段、内存保护等。一个高效且安全的内存管理器是内核性能和稳定性的关键。
进程/线程调度的复杂性： 内核需要决定哪个进程/线程在哪个时间片执行，以及如何公平、高效地调度它们。各种调度算法（如FCFS, SJF, Round Robin, Priority Scheduling, CFS等）都需要深入理解和实现。
中断和异常处理的严谨性： 当硬件发生事件（中断）或CPU遇到错误（异常）时，内核必须能够正确地捕获、处理并恢复。这需要对中断向量表、异常向量表、上下文切换等有深入的理解。
设备驱动开发的低级性： 为各种硬件编写设备驱动程序需要了解硬件手册，使用汇编和C语言进行底层操作，并且要考虑各种边界情况和错误处理。
安全性考虑： 内核是系统的核心，任何安全漏洞都可能导致整个系统崩溃或被恶意利用。内核的设计需要考虑权限管理、内存隔离、系统调用接口的安全性等。
调试的困难性： 内核出现bug通常会导致整个系统崩溃（Kernel Panic），而且调试环境通常不如用户空间灵活。需要使用特殊的调试工具（如JTAG调试器、QEMU的gdb集成等）。
资源限制： 早期操作系统内核可能运行在资源非常有限的硬件上，这要求开发者在代码效率和资源占用上精打细算。
生态系统和工具链： 虽然现代开发工具链相对成熟，但对于一些更底层的操作或特定的硬件平台，可能还需要自己构建交叉编译工具链等。

大致内容和步骤：

编写一个操作系统内核是一个循序渐进的过程，通常会遵循以下大致的步骤和内容：

阶段一：准备与基础（Bootstrapping & Initialization）

1. 选择目标平台：
硬件平台： x86（32位/64位）、ARM、RISCV 等。初学者通常会选择 x86 或者模拟器环境（如 QEMU）。
开发语言： C语言是事实上的标准，但启动代码（bootloader）通常需要汇编语言。
2. 理解引导过程 (Boot Process)：
BIOS/UEFI： 了解计算机启动时，BIOS或UEFI如何初始化硬件，并找到并加载引导加载程序（bootloader）。
引导加载程序 (Bootloader)：
这是一个非常小的程序，负责将内核镜像从存储设备（如硬盘）加载到内存中。
对于 x86，常常使用 GRUB、Limine 等现有的引导加载程序，或者编写自己的简易引导加载程序。
引导加载程序的主要任务包括：初始化CPU进入保护模式（32位x86）或长模式（64位x86），设置内存映射，加载内核到内存。
3. 进入内核入口点：
引导加载程序将控制权交给内核的入口点函数。
此时，CPU可能处于一个基础状态，需要内核进行进一步的初始化。
4. 设置基本环境：
汇编初始化： 设置初始的堆栈指针、清零BSS段等。
C语言入口点： 链接器脚本会定义内核的入口点。
早期屏幕输出： 实现一个简单的函数，能够将字符输出到屏幕（例如，通过VGA文本模式的内存地址）。这对于调试至关重要。
全局描述符表 (GDT)： 对于 x86 架构，需要设置 GDT，它定义了内存段的属性，用于内存保护和访问。
中断描述符表 (IDT)： 设置 IDT，它包含了指向中断服务例程 (ISR) 的指针。这是处理中断和异常的基础。

阶段二：核心组件（Core Components）

5. 中断和异常处理：
中断服务例程 (ISRs)： 编写处理各种硬件中断（键盘、定时器、硬盘等）和软件异常（除零、页错误等）的函数。
中断控制器 (PIC/APIC)： 配置和使用中断控制器来管理中断请求。
上下文切换： 了解如何保存当前任务的CPU状态（寄存器、栈指针等）和恢复另一个任务的状态，这是实现多任务的基础。
6. 内存管理：
物理内存管理：
内存检测： 如何通过 BIOS/UEFI 或者硬件方式检测可用的物理内存范围。
物理内存分配器： 实现一个机制来跟踪哪些物理页是空闲的，哪些被使用了（例如，位图、链表等）。
虚拟内存管理 (分页)：
页表结构： 理解和实现多级页表（如 x86 的 4级分页）。
启用分页： 将页表加载到 CPU 控制寄存器中，启用虚拟内存。
页错误处理 (Page Fault Handling)： 实现处理页错误（访问无效内存地址）的机制，通常用于按需加载页面（Demand Paging）。
7. 进程和线程管理：
进程控制块 (PCB)： 定义一个数据结构来表示一个进程（包括进程ID、状态、寄存器状态、页表等）。
线程控制块 (TCB)： 类似地，表示一个线程。
调度器 (Scheduler)：
实现一种调度算法来决定哪个进程/线程获得CPU时间。
定时器中断： 利用定时器中断来触发调度，实现时间片轮转。
进程创建和销毁： 实现创建新进程（fork、exec）和终止进程的机制。
8. 系统调用接口 (System Call Interface)：
定义一套用户程序可以调用的内核服务接口。
中断指令 (INT/SYSCALL/SYSENTER)： 用户程序通过特殊的CPU指令触发陷入（trap）到内核。
系统调用分发： 内核根据指令中的系统调用号找到并执行相应的内核函数。
用户空间和内核空间切换： 在系统调用发生时，需要进行特权级别的切换和上下文的保存/恢复。

阶段三：设备驱动与更高级特性

9. 设备驱动程序：
键盘驱动： 处理键盘中断，读取按键信息。
定时器驱动： 提供系统时钟功能，用于调度和计时。
硬盘驱动 (IDE/AHCI)： 读取和写入硬盘数据，这是文件系统和存储的基础。
屏幕驱动： 在不同分辨率和颜色模式下显示图像。
网络驱动： 处理网络数据包的发送和接收。
其他设备： 鼠标、串口、音频等。
10. 文件系统：
虚拟文件系统 (VFS)： 提供一个统一的接口来访问不同类型的文件系统。
具体文件系统实现： 实现 FAT、ext2、NTFS 等文件系统的读写逻辑。
磁盘块管理： 管理文件系统在磁盘上的块。
11. 进程间通信 (IPC)：
提供多种机制让进程之间进行数据交换和同步，例如：管道、消息队列、共享内存等。
12. 内存分配器 (kmalloc)：
为内核内部需要动态分配内存的模块提供一个高效的分配器（例如，伙伴系统、slab 分配器）。
13. 中断和异常的深入处理：
延迟过程调用 (DPC) / Deferred Procedure Calls： 将一部分中断处理逻辑推迟到中断处理程序返回后执行，以减少中断延迟。
14. 多核/多处理器支持 (SMP)：
处理多个CPU核心之间的同步问题。
自旋锁 (Spinlock)： 用于保护共享数据，防止多个CPU同时访问。
处理器间中断 (IPI)： 在CPU之间发送中断信号。

阶段四：用户空间与系统服务

15. 加载用户空间程序：
如何将用户程序加载到内存中，并设置其执行环境。
ELF 格式： 理解和解析可执行文件格式（如 ELF）。
16. 系统库 (System Libraries) / Runtime：
通常不直接写在内核中，而是作为用户空间库（如 libc）提供。但内核需要为这些库提供基础支持。
17. 系统服务：
文件服务器、网络堆栈、进程管理服务等。

开发工具和技术：

交叉编译器 (CrossCompiler)： 使用适用于目标平台的编译器（如 GCC for x86）。
汇编器 (Assembler)： NASM、GAS。
链接器 (Linker)： ld，需要编写链接器脚本来控制内核镜像的内存布局。
调试器 (Debugger)： GDB，通常与模拟器（QEMU）结合使用，或者通过串口连接到目标硬件。
模拟器 (Emulator)： QEMU 是非常流行的选择，它提供了一个虚拟的硬件环境，可以方便地调试内核。
调试工具：
串口输出： 将调试信息通过串口输出到另一个终端。
JTAG 调试器： 直接连接到硬件进行底层调试。
Panic/Oops 信息： 在内核崩溃时打印有用的错误信息。
内核调试器： 如 KGDB。

学习资源和起步建议：

OSDev Wiki: 一个非常宝贵的资源，提供了大量的教程、技术细节和参考资料。
《操作系统概念》(Operating System Concepts)： 经典的操作系统教科书，深入讲解了各种操作系统理论。
《现代操作系统》(Modern Operating Systems)： 另一本优秀的操作系统教材。
《操作系统导论》(Operating Systems: Three Easy Pieces)： 免费在线书籍，易于理解。
开源操作系统内核： 研究 Linux、FreeBSD、Minix 等开源操作系统的源码是学习的最佳途径之一。可以从 Minix 开始，它是一个教学性质的操作系统。
从简单的内核开始： 不要一开始就尝试实现一个复杂的 Linux，可以先从一个简单的、可以引导并打印字符的内核开始，然后逐步添加功能。

总结：

写一个操作系统内核是一个漫长而艰辛的过程，但它能极大地加深你对计算机底层原理的理解。它不是一项“容易”的任务，需要持续的学习、大量的实践和不断克服的挑战。成功实现一个功能齐全的内核，无疑是对技术能力的一次巨大考验和肯定。

网友意见

最新回复

当时我感冒了，回家呆了半天，然后写了这些东西。

当时2013、2014年完成了一些技术攻关，2014、2015年一直到广东省科技创新大赛前基本都还在做，省赛意外失利后就没继续做了，所以到写这些东西的时候，已经过去了将近一年，每个功能具体入微的实现、当时对其他系统的研究、一些设备的支持啥的这些细节都已经忘得差不多了，只剩下那个时候开发的整体印象。所以这篇文章没有给大家带来更多的知识真是不好意思。

我的博客http://hwj.me我其实蛮少用的，最近才想再次去使用它，所以那里也没有太多的东西给大家。

有人说PS的，我也表示理解，毕竟就一个图放在这，喜欢搞大新闻的人也蛮多。这里就放一个视频表示真实性吧。

鬼鸟操作系统的简单演示（for 知乎） 鬼鸟操作系统的简单演示（for 知乎）—在线播放—优酷网，视频高清在线观看 http://v.youku.com/v_show/id_XMTYzOTk3NTc4NA==.html

至于有人说那个按钮的单词打错了，这个好像当时也有人说过，忘记改了……当时我的英语水平刚刚从不及格到及格，这种错误犯了不止一次，包括在一些函数中。

有人还说这些东西不牛x，我说真心话这的确不牛x，这篇文章也并非炫耀。只是解答上面这个人的问题罢了。希望更多人能够到达自己要到达的山峰。

目前高考结束了，我最近在试图去研究AI，这个操作系统（包括内核）也会进行不断的更新。

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我很想回答这个问题。 我是一个高中生，自初中开始就想做一个操作系统，并付诸于行动。 我们制作的操作系统 鬼鸟操作系统，使用自己实现的 探索者操作系统内核，已经完成了基本的功能，外加一个不错的图形用户界面。

上面这个图就是我们操作系统在VMware虚拟机里面的运行截图。 其实说来做操作系统，你需要首先掌握一些基本功，我在初中的时候已经学习了x86的汇编语言，在高中的时候，在正式做系统内核前，我完成了两三次每次2-3000行的汇编技术验证代码，对汇编语言，函数思维，很多设备的特性和诸如参数传递这类众多小技术细节都有了较为详细的理解。

类似这样的基本功必不可少，我可以用汇编实现整套操作系统，但是考虑到可移植性，后续维护，我们到后期还是用了汇编和C混编的方案。除此之外，因为操作系统运行环境和应用程序运行环境着实不同，这些基本功对于我们进行操作系统设计，调试都是极其重要的。

除此之外，毕竟操作系统是个大工程，在做这个东西的时候，我们力量小，这时就需要我们有聪明的开发策略。打个比方，现在商业级操作系统的文件系统部分所占代码量可能就已经超越众多小型操作系统总代码量了，个人或者小团体开发的操作系统，真的不能过多关注单一的功能，人家的东西是按商业化考虑的，你就按照实现的角度考虑就行了，哪怕你的一些做法功能不会像人家那么好，一些优化算法不如人家那么有效，但是到真正的需要你考虑其效能问题的时候，你们的操作系统已经非常大了，那时候进行商业性的设计，比现在的更方便。

做操作系统，最关键的是，要在大的功能上均有所实现，在人少力量弱的情况下，小功能不要追求完整。只要能够支撑下个功能的实现就行了。例如，实现内核模块动态链接功能，至少需要在文件系统方面实现文件读取，能读取文件才能支持后面对elf格式分析，重定位等一堆功能实现。但是这并不意味着你需要在百忙中追求文件系统中长文件名的读取这类只有用户才介意的功能。

操作系统包含的功能面多，对于我们而言，不可能一开始就学完所需要的各个知识，各种标准规范协议，实际上大多数情况下，你需要边学习，边借鉴，边设计，边研发。在这个情况下，你需要清晰的知道自己需要完成哪些功能，对于这些功能，你要有清晰的了解，然后以这些功能实现为主线，博览群书，看看民间的方案，linux和Windows的方案，然后再设计自己的方案。我接触过的很多人，边看30天自制操作系统边做，或者Orangs 一个操作系统的实现 ，哪怕是一些更加专业的书籍，也会有一些不足和局限，如果对自己做的功能不了解，只能深陷于这些书的坑。

就说这么多吧，我的qq 2322869088，个人网站

胡文杰的小站

，时间不早了，还有80多天就高考了，希望这篇文章能给大家说明一些事情。还有，对于985 211院校，凭着操作系统参加自主招生容不容易一本线录取？

稍后这个文章会被复制到知乎其他文章中。

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