🐧 Cinux

从零手搓 x86_64 操作系统 · 中文教程 · 现代 C++ 实现

Cinux-Book 是一个"手把手"教你从 MBR 开始写操作系统的教程项目——从 Bootloader 到 GUI 桌面，全链路完成。Ubuntu 24.04 默认编译器即可构建，无需额外安装 GCC。也是Cinux中特性足够稳定，路径足够明细的教学版本。

Cinux 仍然会作为更加前沿的特性, 持续活跃的开发, 甚至计划到亮起来浏览器, 和使用一些应用作为一个大里程碑!

笔者已经完成了一轮大重构，后续，会慢慢稳定的从Cinux正在开发的版本逐步迁移回来一些有趣的Feature!

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✨ 项目简介

Cinux 是一个从零开始的 x86_64 操作系统开发教程，采用现代 C++ 编写。

💡 为什么叫 Cinux？

• C/C++'s Linux, 也就是尝试重新再写一个基于C/C++的Linux
• CharlieChen's *nux（逃）

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🖼️ Screenshots

GUI 桌面环境（左） · CLI 终端环境（右）

从启动到 Shell（左） · 多终端窗口（右）

多终端并发执行（左） · Ext2 文件操作（右）

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🌟 特性亮点

🧠 完整 x86_64 内核 Bootloader → Mini Kernel → Big Kernel → User Space → GUI 桌面，全链路打通	📁 Ext2 文件系统读写 VFS 抽象层 + AHCI SATA 驱动，支持 touch/mkdir/rm/cat/ls/cd/stat
🖥️ GUI 桌面环境 Canvas 双缓冲 + 窗口管理器 + PS/2 鼠标驱动，支持拖动 / Z-order / 桌面图标	⚡ 多进程 & 多终端 fork/execve/CoW 页表复制 + Pipe IPC，每个终端绑定独立 shell 进程
👨‍💻 Ring 3 用户态 Shell 22 个系统调用，内置 echo / help / clear / ls / cat / cd / pwd / stat / mkdir / rm / touch	🧪 测试驱动开发 自研轻量测试框架，Host 端 mock 测试 + QEMU 集成内核测试双轨并行
🔧 现代 C++17 实现 constexpr 编译期生成 GDT/IDT / concepts 类型约束 / RAII 锁管理 / enum class 驱动接口 / 支持用户态内核态 SSE （故支持-O2 Release构建）

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🎯 你将学到什么

完成整个教程后，你将深入理解：

阶段	内容	关键技术
Phase 1	Bootloader	实模式 → 保护模式 → 长模式，ELF 加载，VESA 图形模式，E820 内存探测
Phase 2	小内核（Bootstrap）	串口 / kprintf，PMM，IDT / 异常处理，ATA PIO 磁盘，ELF 加载
Phase 3	大内核基础设施	GDT / IDT / 256 向量中断，PIC 重映射，PIT 时钟
Phase 4	驱动三件套	VGA Framebuffer + PSF2 字体，PS/2 键盘驱动，串口完善
Phase 5	内存管理	PMM bitmap，VMM 4 级页表，内核堆（first-fit + coalesce），独立地址空间
Phase 6	进程与调度	context_switch，Round-Robin 调度器，Spinlock / Mutex / Semaphore
Phase 7	用户态与系统调用	Ring 3 切换，syscall / sysret，22 个系统调用，用户态 Shell
Phase 8	文件系统	AHCI SATA，VFS 抽象，Ext2 读写 + 目录操作 + stat，ramdisk
Phase 9	GUI 桌面环境	Canvas 双缓冲，窗口管理器，PS/2 鼠标，拖动 / Z-order，桌面图标
Phase 10	多进程与高级特性	fork / execve / CoW / waitpid，Pipe IPC，多终端并发

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🚀 快速开始

前置要求

本项目支持最新的 g++ 15.2编译，使用CMake构建项目，您需要安装的是

# Ubuntu/Debian
sudo apt install -y gcc g++ binutils qemu-system-x86_64 cmake

构建 & 运行

🚀🚀🚀 在WSL 或者任何您喜欢的发行版中跑起来它们！🚀🚀🚀

Feature Help: 不知道有没有好心人愿意移植到Windows上可编译，如果有所变动欢迎提交您的PR！

Step 1️⃣: 配置

#  配置为GUI（默认）（Release 模式），也是最推介的！🚀
cmake -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -S .

# 或者，默认（速度稍慢）
cmake -B build  -S .

# 或者你fork改炸了准备使用VSCode调试
cmake -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug -S .

# 带测试的配置
cmake -B build -DCINUX_BUILD_TESTS=ON -S .

# CLI运行环境
cmake -B build -DCINUX_GUI=OFF -S .   

Step 2️⃣: 构建

cmake --build build -j$(nproc)

Step 3️⃣: Cinux，启动!

cmake --build build --target run # 跑内核本体, 默认Launch的是VNC显示，您需要VNC！
cmake --build build --target test_host           # Host 端单元测试（CTest）
cmake --build build --target run-kernel-test     # QEMU 内核测试（自动退出）

调试模式 1：GDB大牛请走这里

# 终端 1：启动 QEMU + GDB server
make run-debug

# 终端 2：连接 GDB
gdb build/kernel.elf
(gdb) target remote :1234
(gdb) break kernel_main
(gdb) continue

调试模式 2：VSCode大牛请走这里（是的别坐牢，如果不喜欢GDB!）

Step 1： 一键脚本构建并启动 QEMU 调试模式（Debug 构建 + GDB stub 监听 :1234）：

bash scripts/launch_qemu_debug.sh

Step 2： 确认 .vscode/launch.json 中已有如下配置：

PS：大内核需要改一下ELF，这个麻烦自己手调。

{
    "name": "QEMU 调试 (mini kernel)",
    "type": "cppdbg",
    "request": "launch",
    "program": "${workspaceFolder}/build/kernel/mini/mini_kernel",
    "MIMode": "gdb",
    "miDebuggerServerAddress": "localhost:1234",
    ...
}

Step 3： 在 VSCode 中按 F5，选择对应的调试配置即可开始图形化断点调试。

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🛠️ 技术栈亮点

🔍 现代 C++ 内核开发

• ✅ C++17 特性：constexpr / concepts / requires
• ✅ 编译期魔法：GDT/IDT 描述符 constexpr 生成，桌面图标 constexpr 像素数据
• ✅ 类型安全：enum class 作为 API 一等公民，concepts 约束驱动接口
• ✅ RAII 资源管理：Spinlock::guard、InterruptGuard、锁自动释放
• ✅ 零标准库依赖： freestanding，自实现 memset/memcpy/string

🧪 自研测试框架

// 极简 API
TEST("测试名称") {
    ASSERT_EQ(actual, expected);
    ASSERT_TRUE(condition);
}

// 双轨测试策略
// Host 端：mock 硬件，验证逻辑正确性（快速迭代）
// Kernel 端：QEMU 运行，验证真实硬件行为（端到端）

📁 42 个 Git Tags 覆盖全旅程

每个 Milestone 完成后打 tag：编号_大主题_小阶段

000_env_toolchain          → 环境搭建
001_boot_real_mode         → 实模式启动 + VESA 图形
009_large_kernel_entry     → 大内核入口
022_ring3_usermode         → Ring 3 用户态
028_fs_ext2                → Ext2 文件系统
033_gui_desktop            → GUI 桌面环境
035_multi_terminal         → 多终端并发
...

共 42 个 tag，覆盖从环境搭建到多终端的完整开发历程。

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🧭 在 Awesome-Embedded-Learning-Studio 中的位置

Awesome-Embedded-Learning-Studio 是一个面向 C++ 工程化、MCU 裸机、Embedded Linux、Qt 桌面和底层系统的一站式学习组织。Awesome-Embedded 是组织总导航，适合从那里查看完整学习地图和所有子项目。

Cinux-Book 的定位是组织内的稳定教学版 OS 课程仓库。 它保留 Cinux 从 boot 到 GUI、多终端的完整实现路径，并把源码、tag、教程、实验和调试笔记收束到一条适合学习的主线里。相对更前沿的 Cinux 开发线，这里更强调可复现、可讲解、可长期维护。

相关仓库可以这样理解：

仓库	定位	推荐入口
Awesome-Embedded	组织总导航与项目索引	想了解整个组织的学习路线
Cinux-Book	稳定教学版 x86_64 OS 课程	想系统学习从 MBR 到 GUI 的 OS 实现
Cinux	更前沿的 Cinux 开发线	想跟进新功能和实验性方向
Cinux-Base	Cinux 基础组件沉淀	想关注可复用底层组件
PenguinLab	Linux/Embedded Linux 内核到用户态实验	想学习 Linux 体系内部机制

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🤝 参与贡献

欢迎贡献！你可以：

• 🐛 修复 Bug
• ✍️ 完善文档
• 💡 提出改进建议
• 📢 分享你的学习经验

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📄 许可证

本项目采用 MIT License 开源协议。

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🙏 致谢

• OSDev Wiki - 宝贵的 OS 开发知识库
• Writing an OS in Rust - 优秀的 OS 教程参考
• 所有为开源社区贡献的开发者

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⭐ 如果这个项目对你有帮助，请给一个 Star！

Made with ❤️ by CharlieChen114514