01 - AI 时代的操作系统课 [2025 南京大学操作系统原理]
01 - AI 时代的操作系统课 [2025 南京大学操作系统原理]
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大家好！我是姜艳艳，来自南京大学计算机软件研究所。今天我们开启《操作系统原理》的第一课，我希望以一种亲切的方式，带大家走进操作系统的世界。这门课不仅是一门技术课程，更是一门关于编程、探索和创造的旅程。就像我常说的，“操作系统是来帮我们的，不是来折磨我们的！” 通过这门课，我希望大家能感受到编程的乐趣，学会如何用操作系统的力量实现自己的想法。
今天的第一课，我们将从操作系统的概述开始，聊聊它的历史、重要性，以及在 AI 时代我们为什么还要学习它。以下是我整理的内容，结合老师的原话，稍作通顺和补充，力求让大家能清晰地回顾和学习。
1. 为什么学操作系统？
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什么是操作系统？
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让我用最简单的话来定义操作系统：操作系统是一组软件，负责让程序运行变得更简单。它管理硬件资源，为软件提供服务，让你的电脑、手机能够同时运行多个程序，共享内存，与设备交互。比如，你的手机可以一边播放音乐，一边刷微博，这背后就是操作系统在默默支持。
但这定义听起来有点抽象，对吧？别急，我们会一步步揭开它的面纱。就像我上课时说的，“你们不需要死记硬定义，有疑问就问大语言模型，它会帮你把复杂的东西讲得简单！”
图示说明：操作系统是硬件和软件之间的桥梁，它管理硬件资源（如 CPU、内存），为软件提供服务（如文件操作、进程调度）。
为什么要学操作系统？
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你们可能从小就用智能手机，操作系统对你们来说再熟悉不过。但为什么要在大学里花一学期来学它呢？我觉得有三个理由：
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理解程序的本质：操作系统是程序的“管家”。通过学习它，你会明白程序能做什么、不能做什么，以及操作系统是如何帮你实现这些功能的。比如，你写了一个
cout << "Hello World";，它为什么能显示在屏幕上？这背后是操作系统在起作用。 -
掌握编程的力量：这门课本质上是一门编程课！通过操作系统的学习，你会学会如何用代码实现真实世界中的功能。就像我说的，“学完这门课，你会发现，你能做出这个世界上任何东西！”
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迎接 AI 时代：AI 正在改变一切。操作系统的设计也在适应这个新时代。通过这门课，你会学会如何结合 AI 工具（如大语言模型）来更高效地编程和解决问题。
例子：假设你想写一个程序，让它在按 Ctrl+C 时不退出。你可能会觉得这很难，但用大语言模型一问，它秒秒钟就能给你代码！这门课会教你如何提出正确的问题，借助 AI 实现自己的创意。
2. 操作系统的历史：从 1940 年代到 AI 时代
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要理解操作系统，我们得看看它是怎么一步步走来的。操作系统的历史，就是计算机软硬件发展的历史。以下是几个关键阶段：
1940 年代：计算机的诞生
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- 硬件：第一台电子计算机 ENIAC 使用真空管作为逻辑门，内存靠水银延迟线（想象一下，用机械波存数据！），输入输出靠打孔纸带。
- 软件：程序员直接用机器代码写程序，接线、戳纸带，没有操作系统。程序主要是算素数、导弹弹道等数值计算。
- 趣事：那时候程序员还要和真正的“bug”（卡在继电器里的虫子）战斗！debug 这个词就是这么来的。
图示说明：1940 年代的计算机没有操作系统，程序员直接操作硬件，效率低下。
1950-1960 年代：批处理与作业系统
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- 硬件进步：逻辑门换成晶体管，内存用磁芯存储（二维网格，像今天的 DDR 雏形），IO 设备有了打印机、磁带。
- 软件变化：高级语言（如 Fortran）诞生，程序员用卡片写代码，每张卡片一行代码。
- 操作系统雏形：计算机太贵，只能排队使用。操作员手动管理程序，操作系统（当时叫“作业系统”）开始出现，帮操作员自动处理卡片和设备。
例子：一个 Fortran 卡片可能写着 Z1 = Y + W1，程序员得在卡片上戳孔，80 列编码一行代码。想想多费劲！
图示说明：1950-60 年代的操作系统管理卡片程序和 IO 设备，解放操作员。
1960-1970 年代：分时系统与现代操作系统
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- 硬件飞跃：集成电路、总线出现，内存更大，CPU 更快，IO 设备更丰富（像早期图形界面 Sketchpad）。
- 软件进步：高级语言（如 C、Basic）普及，程序更复杂，图形界面初现。
- 操作系统进化：分时系统（Multics、UNIX）诞生，允许多个程序同时运行，通过虚拟内存隔离进程，防止崩溃。
例子：UNIX 的管道机制（pipe）让程序可以组合。比如，我写一个数字电路模拟器，输出接给另一个程序显示七段数码管，这就是操作系统的协同能力！
图示说明：1960-70 年代的操作系统支持多程序运行和进程隔离，奠定现代操作系统基础。
AI 时代：算力即服务
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今天，算力又变成了服务。像 DeepSeek 这样的大语言模型，运行在云端 GPU 集群上，我们通过 API 访问。操作系统不仅管理本地硬件，还要支持分布式系统和云服务。这让我想起 1950 年代的“排队用计算机”，只不过现在我们排队用的是云端算力！
3. 这门课怎么学？
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[01:16:47]~[01:28:36]
既然这是一门编程课，我希望大家能带着好奇心和创造力来学。以下是我的建议，结合老师的原话：
忘掉 GPA，拥抱创造
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[01:17:14]~[01:22:21]
我知道 GPA 对你们很重要，但在这门课里，我想说：“忘掉 GPA，真正去做东西！” 当你专注于创造，GPA 自然不会差。我的考试不会考犄角旮旯的细节，而是看你是否理解大图景、是否是个好的开发者。
例子：考试可能问你如何用管道实现程序间通信。如果你写过 mini lab，理解了管道的原理，这题就不难。
用 AI 做你的助手
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[01:19:08]~[01:25:20]
AI 是你的超级工具！用大语言模型帮你理解概念、写脚本、调 bug。比如，你不记得 pipe 函数怎么用，问 AI 就行，它会告诉你读口是 fd[0]，写口是 fd[1]，还提醒你处理错误。
注意：mini lab 里，AI 只能用于单个 API 的生成，不能直接把整个实验要求丢给 AI 做。这叫 academic integrity，靠你的好奇心和自律去学习！
图示说明：用 AI 辅助学习，提出具体问题，理解并应用答案。
多写代码，享受调试
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编程是门手艺，调试是乐趣！每写完一段代码，问问 AI：“这段代码写得好吗？命名规范吗？” 慢慢地，你会养成专业开发者的习惯。
例子：你写了个函数，AI 可能提醒你加错误处理，像 if (pipe(fd) == -1) { perror("pipe"); exit(1); }。这在真实系统设计中很重要。
探索有趣的工具
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[01:31:01]~[01:37:05]
操作系统里有无数好玩的工具，比如 Toybox 里的 cat、false。读读它们的代码，问 AI 为什么没有 main 函数还能运行。你会发现，操作系统是个宝藏，等着你挖掘！
4. 课程设计与期待
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[01:28:36]~[01:37:47]
课程安排
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[01:22:55]~[01:28:36]
- 实验（40%）：全是 mini lab，数量多但简单，部分由 AI 设计。实验框架带 unit test，帮你快速验证代码。
- 期中测验（10%）：很轻松，签到就行。
- 期末考试（50%）：注重理解，不考偏题。
我的期待
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我希望这门课能点燃你的好奇心，让你感受到“别人能做到的，我也行！” 不管是写个小工具，还是实现复杂系统，操作系统会给你无限可能。就像我说的，“从现在开始写代码，你就会拥有这个世界！”
补充：如果有问题，随时邮件我，我保证 100% 回复！课后也可以在 QQ 群讨论，或者告诉我你们喜欢的 office hour 时间。
总结
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今天我们从操作系统的定义讲到它的历史，从 1940 年代的 ENIAC 到 AI 时代的云算力，操作系统一直在进化，帮助我们更高效地编程和创造。这门课不仅教你技术，更教你如何用好奇心和 AI 工具，变成一个有创造力的开发者。
最后，用我上课的话结束：“你们需要的是好奇心。忘掉 GPA，写代码，拥有这个世界！” 下节课我们会深入探讨操作系统的核心机制，敬请期待！
参考资料：
- 课程主页（邮件群发通知）
- Bilibili 视频：01 - AI 时代的操作系统课
- Toybox 项目代码（推荐探索）
希望这篇博客能帮你回顾今天的内容，激发你的学习热情！如果有任何疑问，欢迎随时联系我！