操作系统课程设计题目有哪些方向？

选题原则与建议

之前,请先考虑以下几点：

1. 兴趣导向：选择你感兴趣的领域，这样才有持续学习的动力。
2. 能力匹配：评估自己的C/C++语言能力、数据结构和算法基础、以及计算机体系结构知识，不要好高骛远，选择远超自己能力的题目会导致项目失败。
3. 目标明确：课程设计的核心是“实现一个可运行、可演示的简化版操作系统”，而不是写一篇理论论文，代码量、功能完整性和可演示性是评分的关键。
4. 资源获取：思考你是否能找到相关的参考资料、开源项目（如xv6, Linux 0.11）作为参考，以及是否有指导老师可以请教。

经典核心类题目（必选，难度：★★★☆☆）

是操作系统的基石,几乎所有操作系统课程都会涉及，它们能让你深入理解进程管理、内存管理、文件系统等核心概念。

内核线程/进程管理

• 题目：一个支持多线程/多进程的操作系统内核
• 核心功能：
  • 进程/线程创建与销毁：实现 fork() / clone() 系统调用，创建新的进程或线程，并实现 exit() / join() 来结束和回收。
  • 进程/线程调度：实现至少两种调度算法，如：
    • 先来先服务
    • 短作业优先
    • 时间片轮转
    • 多级反馈队列
  • 进程间通信：实现简单的IPC机制，如：
    • 信号量
    • 消息队列
    • 共享内存
  • 同步与互斥：实现基本的同步原语，如：
    • 互斥锁
    • 条件变量
• 实现平台：可以在一个模拟环境（如 Bochs/QEMU）下，从零开始构建一个微型内核，也可以基于一个现有的教学OS（如 xv6）进行修改和扩展。
• 可扩展点：
  • 实现进程/线程的优先级。
  • 实现死锁检测或避免算法（如银行家算法）。
  • 增加更复杂的IPC机制。

内存管理

• 题目：一个支持虚拟内存的内存管理器
• 核心功能：
  • 物理内存管理：实现伙伴系统 或 SLAB 分配器 来管理物理内存页帧。
  • 虚拟地址空间：为每个进程建立独立的虚拟地址空间。
  • 分页机制：实现请求调页 和页面置换算法。
    • 页面置换算法：至少实现一种，如：
      • 先进先出
      • 最近最少使用
      • 时钟
  • 缺页中断处理：实现当访问的页面不在内存时，从磁盘（交换空间）加载页面到内存的完整流程。
• 实现平台：通常与进程管理题目结合，在 xv6 或类似项目中增加分页和缺页处理机制。
• 可扩展点：
  • 实现写时复制 技术，优化 fork() 的性能。
  • 实现内存映射文件。
  • 增加页面预取机制。

文件系统

• 题目：一个简单的文件系统实现
• 核心功能：
  • 磁盘布局设计：设计超级块、inode区、数据块区等。
  • 基本文件操作：实现 open(), close(), read(), write(), lseek() 系统调用。
  • 目录管理：实现创建目录 (mkdir)、删除目录 (rmdir)、遍历目录 (readdir) 等功能。
  • 文件系统挂载与卸载：实现 mount 和 umount。
• 实现平台：可以基于内存模拟一个磁盘块设备，然后在其上实现文件系统，也可以直接操作一个真实的磁盘分区（风险较高，需谨慎）。
• 可扩展点：
  • 实现硬链接和软链接。
  • 实现文件系统的权限控制。
  • 实现日志文件系统 以提高可靠性。

综合与扩展类题目（难度：★★★★☆）

通常需要将多个核心模块结合起来,并增加一些高级特性，适合学有余力的同学。

分布式/微内核操作系统雏形

• 题目：一个基于消息传递的微内核操作系统
• 核心思想：将内核功能（如文件系统、设备驱动）作为独立的“服务器进程”运行在用户空间，内核只提供最基础的进程间通信和调度功能。
• 核心功能：
  • 微内核：实现最小化的内核，只包含IPC、调度和少量原语。
  • 服务器进程：将文件系统、网络协议栈等实现为用户态进程。
  • 消息传递机制：实现高效、可靠的IPC机制，作为内核与服务器、服务器与服务器之间的通信桥梁。
  • 地址空间隔离：确保服务器进程的崩溃不会导致整个系统崩溃。
• 挑战：设计清晰的服务接口，处理消息的序列化和反序列化，调试复杂。
• 可扩展点：实现一个图形服务器、一个网络服务器等。

实时操作系统

• 题目：一个支持硬实时/软实时任务的操作系统
• 核心功能：
  • 实时调度算法：实现 EDF (Earliest Deadline First) 或 RMS (Rate-Monotonic Scheduling) 等经典实时调度算法。
  • 任务管理：支持任务的创建、删除、挂起和恢复。
  • 定时器与中断：实现高精度的定时器，用于任务截止时间的监控。
  • 优先级继承/天花板协议：解决优先级反转问题，确保高优先级任务能及时执行。
• 挑战：对调度算法的实时性有严格的理论和实验要求。
• 可扩展点：增加任务间的时间约束（如时间触发/事件触发模型）。

安全增强型操作系统

• 题目：一个基于能力或访问控制的操作系统
• 核心功能：
  • 安全模型：实现基于能力的安全模型 或强制访问控制 模型（如简化版的SELinux）。
  • 权限检查：在系统调用入口增加权限检查模块，根据进程的“能力”或“安全标签”决定是否允许访问特定资源（文件、内存、设备等）。
  • 沙箱机制：实现一个简单的进程沙箱，限制特定进程的权限范围。
• 挑战：安全模型的设计和实现非常复杂，需要仔细考虑各种边界情况。
• 可扩展点：实现完整的权限管理系统，包括权限的授予和撤销。

特定领域/前沿类题目（难度：★★★★★★）

紧跟技术潮流,通常与特定领域结合，适合有深入研究兴趣的同学。

操作系统与容器技术

• 题目：一个轻量级容器运行时（类似 Docker 的简化版）
• 核心功能：
  • 命名空间：利用 Linux 内核的 Namespace 机制（PID, Mount, Network, UTS, IPC, User）来隔离容器的视图。
  • 控制组：利用 Linux 内核的 Cgroups 机制来限制和隔离容器使用的资源（CPU, 内存, I/O等）。
  • 容器镜像：实现一个简单的镜像格式和构建机制（如使用 Union File System）。
  • 容器生命周期管理：实现容器的创建、启动、停止、删除等命令。
• 挑战：需要深入理解 Linux 内核的底层机制，并熟练使用 C 语言与内核交互。
• 可扩展点：增加网络插件支持、资源监控、健康检查等功能。

操作系统与物联网/嵌入式系统

• 题目：一个面向资源受限设备的实时操作系统
• 核心功能：
  • 极简内核：设计一个内核体积小、内存占用少的操作系统。
  • 低功耗管理：实现电源管理框架，支持设备的休眠、唤醒模式。
  • 实时任务调度：结合实时调度算法，满足传感器数据采集、执行器控制的实时性要求。
  • 无线通信协议栈：集成简单的协议栈，如 802.15.4 (Zigbee) 或 LoRaWAN 的部分功能。
• 实现平台：通常在 ARM Cortex-M 等微控制器上实现。
• 可扩展点：实现设备发现、组网、数据上报等功能。

用户态操作系统/Unikernel

• 题目：一个 Unikernel 系统
• 核心思想：将应用程序和操作系统库/内核编译成一个单一的、可直接在虚拟机监控器上运行的镜像。
• 核心功能：
  • 库OS：选择一个库OS项目（如 MirageOS, OSv）作为基础。
  • 应用集成：将一个特定应用（如一个简单的 Web 服务器）与库OS代码一起编译。
  • 运行环境：将编译好的 Unikernel 镜像在 QEMU, Xen 或 KVM 等虚拟化平台上运行。
  • 性能分析：分析 Unikernel 相比传统OS的性能优势（启动快、攻击面小、资源占用少）。
• 挑战：需要理解编译原理和虚拟化技术。
• 可扩展点：为 Unikernel 添加新的设备驱动或网络功能。

如何开始你的项目

1. 选择题目和平台：根据你的兴趣和能力，从上述列表中选择一个题目，强烈建议以 xv6 为起点，它是一个为 MIT 6.828 课程设计的、用 RISC-V 指令集写的教学操作系统，代码清晰，文档齐全，非常适合进行二次开发。
2. 搭建环境：安装 QEMU (模拟器), GDB (调试器), 以及用于 RISC-V 的交叉编译工具链，学会使用 make 来编译 xv6。
3. 阅读源码：花大量时间阅读和理解 xv6 的源码，特别是进程调度、内存管理、系统调用等部分。
4. 制定计划：将大功能分解成小任务，实现RR调度可以分为：修改进程控制块、修改调度函数、修改时钟中断处理函数等。
5. 编码与调试：先实现最基本的功能，然后逐步完善，学会使用 GDB 和 QEMU 的串口打印信息来调试你的代码，这是最耗时但也是最重要的一步。
6. 测试与文档：为你的每个功能编写简单的测试用例，养成良好的文档习惯，记录你的设计思路、实现过程和遇到的问题。

祝你课程设计顺利,收获满满！

标签： 进程调度算法 文件系统设计