今天要讲的故事是：

我这个人不懂什么操作系统，于是我用 Go 语言模拟出了一个......

起因

以前看过一篇文章叫做《我这个人不懂什么CPU，于是我用代码模拟出了一个》。这篇文章介绍了一位大佬一言不合用 Go 语言模拟了一台计算机（项目：djhworld/simple-computer）的故事，帅爆了好吗。

这学期有操作系统课，上这个课程的主要收获就是，课上那些活在 PPT 中的算法，就很迷！我是不太喜欢这种方式的，我奉行 Talk is cheap. Show me the code.

所以，我也用 Go 语言模拟了一个“操作系统”——一个拥有标准输入输出与进程间通信的、基于时间片轮转调度的多道程序运行器：

（sham 意为：骗局、虚假事物）

取名叫做 sham 就是希望大家原谅我的标题党行为，事实上，这个东西远谈不上一个“操作系统”，和 djhworld/simple-computer 等类似的优秀项目比起来，，我做的什么都不是。但我只做了不到 10 分钟的设计，并用不到 2k 行代码实现了它。作为业余蒟蒻实现的玩具项目，你还能对它有什么更高的要求呢？

下面，介绍 Sham 系统。

Sham 系统概述

在这里，简要介绍系统中的一些关键设计思路。

至于具体的实现，事实上，这个项目非常简单，而且我写了不少注释，在 git commit message 中也留下了（在我看来）较为详细的说明，如果您不介意，完全可以去读一读源码：

Or：

当然，如果你喜欢这个项目，欢迎 Star、Fork、Watch 三连。如果有任何疑问、意见或建议，也欢迎 Issue 和 PR。

抽象结构

这个模拟的操作系统中，主要包含以下抽象：

  • CPU：一个带有互斥锁的结构，单独在一个协程中运行应用程序的线程。
  • 内存：一个无限大的结构，不需要管理。
  • IO设备：一个独立的设备，单独在一个协程中运行，可以输入或输出。
  • 操作系统：包括操作系统基础结构、调度器、系统调用、中断处理程序组。为例简化模型，操作系统单独运行在一个协程中，它本身不需要在 CPU、内存上运行，而是在内部持有 CPU 和内存。
  • 操作系统基础结构：持有并管理 CPU，内存、IO 设备、进程表和中断向量。
  • 调度器：完成进程调度工作的具体算法。
  • 系统调用：为应用程序提供的“内核态”操作接口。
  • 中断处理程序：处理应用程序或操作系统内部发出的各类中断。
  • 进程、线程：为了简化模型，一个进程只能持有且必须持有一个线程。
  • 进程：包括一个可运行的进程、当前状态（运行、就绪、阻塞）以及需要的各种资源（内存等）。
  • 线程：进程具体可执行的部分，包含要运行的“程序代码”以及运行时的上下文。
  • 上下文：包括程序计数器、进程指针、操作系统接口。
  • 具体应用程序：进程的实例（在 sham_test.go 中实现了一些有意思的应用）。

目前的实现中，调度器使用的是一个带时间片轮转的 FCFS 调度器，但可以十分容易地添加、替换新的调度算法。

系统的工作流程



线程的运行

关于线程的运行，直接看一部分 Thread 具体代码实现：

具体的应用程序把“代码”写在一个 Runnable 型的函数中，这个函数每执行完一个原子操作就应该返回一次。同时 runnable 也可以在执行完任何一个原子操作时，被外部事件强行打断（比如时间片用尽）。

Thread.Run()Thread.Run()Thread.Run()
contextual.PCswitch

例如，下面的这个 Runnable 函数（程序）有 4 个操作（4 条指令）它们会依次执行：

这样的写法有些像汇编语言，而事实上，runnable 甚至就是这个模拟的操作系统的机器语言！所以写起来略为繁琐，这个难以避免。

运行的效果如下：



注：把上面的程序翻译成我们平时的 Go 程序就是：

中断与 IO

中断在操作系统中至关重要，所以这个模拟的操作系统也需要中断的实现。

这里对中断的建模如下：

中断包含一个类型，处理程序（处理程序和中断类型一一对应），以及附加的数据。

应用程序，或操作系统内部都可以通过一个系统调用发出中断（这个模拟中几乎没有硬件，所以不考虑硬件中断）。操作系统受到中断请求，会把中断放入一个中断表，然后在当前时钟周期结束后，调度运行时程序阻塞，依次调用相应中断处理程序处理中断表里的中断。

中断处理程序会做必要的工作，完成后解除发起进程的阻塞状态。

有了这个中断机制，就可以很容易地实现时间片轮转——在时间片用尽后，发出一个时钟中断，其处理程序会把进程就绪。

同时，中断支持了各种 IO 设备的使用。例如，最简单的是使用标准输出，发出一个标准输出的中断请求，传入需要的数据即可：

这个中断的处理程序会使用标准输出设备，完成输出。运行结果：



出了标准输入，我还实现了标准输出设备，以及特殊的 Pipe 设备。这两个东西的调用代码都比较复杂，在此不做演示。

标准输入、输出都是模拟的“硬件”，这些东西会单独在一个协程中运行。而 Pipe 设备则是一个虚拟的设备，它是对 Go 语言 channel 的封装。操作系统可以动态生成任意多个 Pipe 并分配给需要的进程，通过 Pipe 进程之间就可以利用 CSP 模型可以完成通信与同步。

利用 Pipe 设备，在这个模拟的操作系统中，可以实现「生产者-消费者」问题。代码稍微复杂（需要约 150 行代码，见 sham_test.go 之 TestProducerConsumer），但完全可以正确工作：



## Sham 程序设计

作为系统可用性的~~不严谨~~证明，下面给出一份 Sham 程序设计指南。

在 Sham 源码的 sham_test.go 文件中，包含了一系列开发过程中测试使用的应用程序实现。我们完全可以把这个文章看作 Sham 程序设计的官方实例。下文中任何不明朗部分都请参考那些实例。

如何运行 Sham?

获取一个 OS 实例，指定调度器（FCFSScheduler 是先来先服务算法），添加应用程序进程，然后 Boot 就开始运行了！

系统的就绪队列中默认有一个 Noop（NO OPeration）进程，这个进程什么也不做。如果不需要，可以参考被注释掉的第三行代码删除它。

shamOS.CreateProcess

precedence 和 timeCost 是给留特定的调度算法使用的，如果使用 FCFSScheduler 就没什么用，随便写即可，runnable 就是具体的程序代码了，下面就介绍 runnable 的写法。

顺序程序

switch contextual.PCreturn StatusRunningreturn StatusDone

注：这里是调用了 log（http://github.com/sirupsen/logrus，打一条日志），这其实是个「超系统调用」，调用了 sham 以外的东西。作为测试，这没问题。

系统调用

CreateProcess
CreateProcess(pid string, precedence uint, timeCost uint, runnable Runnable)
contextual.OS.XXXCreateProcess

还有一个更有用的系统调用——中断请求：

InterruptRequest(thread *Thread, typ string, channel chan interface{})
contextual.Process.Thread

由于当前线程与中断处理程序显然不同步，channel 必须是带缓冲区的！

目前可用的中断类型有：

typ说明channel
StdOutInterrupt输出到标准输出放入药输出的东西
StdInInterrupt从标准输入获取输入一个空 chan，标准输入会写东西进去
NewPipeInterrupt新建一个 Pipe 设备放入 pipeID 和 pipeBufferSize
GetPipeInterrupt获取一个 Pipe 设备放入 pipeID

（关于 Pipe 后面再详细介绍。）

使用标准输入时，需要注意，把 chan 放到 sham 线程的内存中，而不是使用一个 go 变量：

变量使用

VarPool

E.g.

条件/循环

条件、循环这里做的不太好，比较麻烦。需要大家手动维护额外的程序计数器：

dpcJMP

这段代码中关于 Pipe 不太好理解，所以下面介绍 Pipe。

进程通信: Pipe

Pipe 是 Sham 中的一种特殊 IO 设备，它是对 Golang chan 的封装，它提供了 Sham 进程间通信的能力。

创建 Pipe：

其他进程获取 Pipe：

NewPipeInterruptGetPipeInterruptcontextual.Process.Devices["pipeID"]

在读写 Pipe 的时候需要注意边界条件，不可读时强行去读会造成死锁。

pipe.Inputable()pipe.Input() <- something

读也是类似的，检测—读取—否则让出 CPU：

文章结束之前

无论您是技术比我强的大佬，或是在某一方面比我稍弱的同学，看到这里可能都会骂一声——“什么东西？”

为了回答您的疑问，我想重述我对 Sham 的定义：

cdfmlr/sham （sham 意为：骗局、虚假事物）：一个拥有标准输入输出与进程间通信的、基于时间片轮转调度的多道程序运行器。

这是我在学习操作系统时的个人娱乐作品。它的功能、整体设计、代码细节都做的很差，因为它最初的设计，仅是为了开玩笑写出的 200 余个字符：


如果您喜欢这个项目，欢迎 Star、Fork 和 PR。如果您不喜欢这东西，或有任何看法、疑问、意见或建议，也欢迎 Issue，望不吝赐教为感！