前言

• 写作时间：2026-03-23
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这是一本关于OS的教程，可能有人会疑惑，有那么多经典的OS教材，并且出自大牛之手，经过了时间和万千学子的检验，你为什么还要写一本？

其实理由很简单，因为兴趣。

程序是个我们每天都在写的东西，但一个程序究竟是怎么被"跑"起来的？从敲下回车到结果出现在屏幕上，中间发生了什么？操作系统（Operating System）在背后做了哪些事？我强烈地感觉到，只有彻底学一次OS，才能真正"看到"一个程序的原貌，而不是永远隔着一层抽象去猜。对计算机和程序本身的热爱，驱动我去弄清楚这些事情。

对于一个从未接受过计算机科班教育，也没有体系地学过操作系统的我，这件事很复杂。但我很认真，并且我认为这不是我写这本书的阻碍。恰恰相反，我既能在这个过程中深入学习OS并实践，我也可以最大地发挥我自己独特的理解优势，将那些课本上复杂，冷漠和"显而易见"的概念和逻辑，以一个初学者更容易理解的方式表达出来。这本书就是这个过程的产物：一个同样在学习的人，把自己搞懂的东西整理出来。需要更加审慎和敬畏的是，尊重前人们在OS的宝贵实践，尊重源码。

这本书的路线

传统操作系统教材的结构通常是：先讲一章理论，再做一个配套练习。理论和实践分离，练习往往是为了验证某个知识点而设计的人工场景。

这本书反过来。整个学习过程围绕 4 个真实项目展开。每个项目都是一个可用的系统，不是教学玩具。操作系统的概念在构建这些系统的过程中引入，遇到什么问题就学什么知识。

理论课和项目课分开编排。理论课按知识域分章，提供完整的知识体系。项目课独立成章，每个项目包含多课，列出前置理论依赖，读者学完对应理论后可随时开始项目。这样既保证理论的纯粹性，也让每个项目有完整的全貌，不再被理论课的顺序绑定。

四个项目

zish 是贯穿全书的项目。从最基础的 fork/exec/wait 开始，逐步加入管道、信号处理、作业控制（Job Control），直到最后移植进自己写的操作系统内核。每学一个新的进程管理概念，就在 zish 里用上它。这个项目覆盖进程生命周期、信号、进程组与会话等核心概念。

zedis 是一个 Redis 兼容的内存键值存储。从单线程事件循环（Event Loop）和 RESP 协议解析开始，逐步加入 fork() + 写时复制（Copy-on-Write）的 RDB 快照持久化、AOF 日志、I/O 多线程。这个项目的重点是性能：如何用单线程 epoll 事件循环高效处理大量并发连接，如何利用 fork() 的 COW 特性在不阻塞服务的情况下做持久化。项目的正确性和性能可以直接用 redis-cli 和 redis-benchmark 验证。

zcryptfs 是一个透明加密文件系统，参考 gocryptfs 设计。它使用 FUSE（Filesystem in Userspace）接口在用户态实现完整的文件系统语义，对文件内容做分块 AES-GCM 加密。构建过程中需要理解 VFS（Virtual File System）的四大对象、页缓存（Page Cache）、日志（Journal）、fsync 语义等概念。这个项目的重点是正确性：在任意时刻断电或崩溃后，文件系统的数据不能丢失也不能损坏。

zigos 是最后的整合项目。把前三个项目中学到的操作系统概念迁移到裸机环境，在 QEMU 上从零构建一个能跑自己 zish 的微型操作系统。涉及引导（Boot）、页表、中断（Interrupt）、上下文切换（Context Switch）、系统调用（System Call）、设备驱动等概念。

课程地图

全书分为两大部分：10 章理论课（32 课）和 4 个项目（14 课），合计 46 课。理论课提供完整的知识体系，项目课独立成章，可回引多篇理论课。

理论部分

章	课时	内容
基础与概览	4	操作系统与硬件、内核设计、特权边界、系统调用
进程管理	7	生命周期、信号、进程组与会话、CPU 调度、Linux 调度器、命名空间、Cgroups
线程与并发	5	线程模型、同步原语、死锁、事件驱动、内核同步机制（RCU、Seqlock）
内存管理	4	地址空间与分页、虚拟内存、内存映射、内核内存分配器（伙伴系统、Slab）
网络与 IPC	3	Socket 与 TCP、进程间通信、零拷贝与高性能网络
存储与 I/O	3	I/O 分层架构、中断与设备驱动、块层与 I/O 调度
文件系统	4	文件与目录、VFS、日志机制、崩溃一致性
保护与安全	1	保护环、访问控制、Capabilities、Seccomp、内存安全
虚拟化	1	硬件虚拟化、KVM、Virtio 半虚拟化、容器与虚拟机
可观测性	1	perf、ftrace、eBPF、生产环境性能诊断

项目部分

四个项目各自独立成章，可以在学完对应前置理论后随时开始。

项目	课时	内容
zish：Shell	3	基础 REPL → Job Control → Namespace 隔离
zedis：内存数据库	4	事件循环 → fork-COW 持久化 → TCP 优化 → 性能分析
zcryptfs：加密文件系统	3	FUSE 用户态文件系统 → 透明加密 → 崩溃一致性
zigos：裸机操作系统	4	引导与内存 → 中断与进程 → 系统调用与文件系统 → 设备与网络

为什么用 Zig

作为一个CS人，谁能拒绝一个新鲜事物或者工具？（但有一说一，Zig这玩意其实是个老东西了）Zig 的发明者 Andrew Kelley 在博客里写过，Zig 的目标是取代 C 和 C++。一门号称"比 C 更安全"的语言，还拥有 comptime 这样在编译期做计算的特性，光是这些就足够让人想动手试试了。

选择 Zig 而不是 C 来做操作系统项目，不是因为 C 不行，而是因为用 Zig 更好玩，更有挑战。Zig 和 C 一样能直接调用系统调用、操作裸指针、控制内存布局，但编译器帮你挡住了 C 最容易犯的错误：悬垂指针（Dangling Pointer）、缓冲区溢出（Buffer Overflow）、未初始化内存（Uninitialized Memory），这些在 Zig 中要么是编译期错误，要么会在运行时立即报出明确的错误信息，而不是静默地损坏内存。它还能禁用标准库，生成不依赖任何运行时的裸机二进制，这意味着 zigos 项目里从页表设置到中断处理的每一行代码都是自己写的，没有隐藏的运行时魔法。说了那么多好听的，反正就是咱们不能直接抄OS源码了。

我有点贪婪。我想亲手搞懂这门语言的设计和它的价值，而不是听别人来评价。用它来写操作系统，正好一箭双雕。

读者须知

这本书假设读者会编程，能在终端里用命令行完成日常操作。具体来说，需要熟悉至少一门编程语言，了解基本的数据结构，能读懂简单的 C 代码。

不需要提前了解操作系统内核、硬件架构或调度算法。这些正是本书要教的内容。Zig 语言也不需要提前学习，相关语法会在项目中按需介绍。

小结

项目	定位	OS 概念域
zish	贯穿全程，概念练兵场	进程、信号、调度、命名空间
zedis	性能向，内存数据库	事件循环、线程、同步、TCP、fork/COW 持久化
zcryptfs	正确性向，数据可靠性	文件系统、VFS、日志、崩溃一致性
zigos	裸机整合，从零构建	引导、页表、中断、系统调用、设备驱动

四个项目，四个不同的切面。合在一起，覆盖了一个程序员需要了解的操作系统核心知识。