AI 时代的操作系统¶

AI 时代的操作系统：在物理现实、抽象裂缝与数学理想之间 ——南京大学 JYY 课程的四重视野与终极问题

一、为什么重讲操作系统？—— AI 带来的三重冲击¶

知识获取方式：AI 让“查文档”退居其次，“问 AI”成为默认动作。

学习目标迁移：从“看懂源码”变为“与 AI 协作，写出能被验证的代码”。

技能溢价：对硬件、抽象、数学的直觉成为人类最后的护城河。

二、四重视野：把操作系统拆开来看¶

应用视角：上帝与祈祷¶

• 操作系统是“无感情的上帝”，程序用系统调用（syscall）来许愿。
• 抽象的力量：open/read/write 把磁盘、键盘、网卡统统变成“字节流”；fork/exec 把 CPU 虚拟成一台台独立计算机。
• 漏洞也是入口：fork 在多线程程序里会复制锁，导致死锁；mmap 忘记 msync 会丢数据。
• Unix 哲学：组合（ls | grep）优于继承，一行命令即可定位 10 万行日志中的 3 行关键信息。

硬件视角：镣铐与舞蹈¶

• 硬盘比 CPU 慢 10⁵ 倍，文件系统靠页缓存、异步写回“欺骗”应用程序。
• 多核缓存一致性协议 MESI 决定锁的实现；一次上下文切换要刷 TLB、填缓存，代价昂贵。
• 若芯片没有 MMU（嵌入式），内存管理就得靠静态分区或软件查表。
• 结论：操作系统是被硬件“逼”出来的，不是凭空发明的优雅艺术。

数学视角：理想与泥潭¶

• 程序是一个离散状态机，操作系统是管理一堆状态机的大状态机。
• 用 TLA+ 可以证明调度算法公平，却无法证明其在 3 级缓存+NUMA 上的能耗最优。
• Rust 所有权模型在编译期保证内存安全，但内核仍需 unsafe 处理自引用结构。
• 悖论：形式化验证越完美，工程落地越困难——数学是“尺子”，工程是“泥潭”。

AI 视角：新的抽象层正在诞生¶

• 当 AI 写驱动、调参数、自动生成 seL4 式验证代码，系统调用接口会不会消失？
• 未来程序员可能只写“约束”——实时性、吞吐、功耗——剩下交给 AI 搜索实现。
• 操作系统史就是抽象层级上移史：汇编→C→脚本→AI 提示词。

三、三条学习路径：把“抽象裂缝”变成“登梯”¶

• 动手：用 10 行 Python 写一个 Round-Robin 调度器，把调度理论跑成可视化动画。 问破绽：

• 提问：

  • 为什么 Docker 不直接用进程，而要叠加 Namespace/Cgroups？
  • 如果硬件突然拿掉中断，操作系统该怎么改？

• 与 AI 结对：把看不懂的 dmesg 甩给 AI，让它用 3 句话解释 + 给出 grep 模式。

四、思考 | 我们的头脑比天空更广阔¶

• 让你从零设计操作系统：
  • 你会先写 TLA+ 规范，还是先读 SoC 数据手册？
  • 当 AI 能够一次性生成“验证过的正确代码”，“理解系统”的意义还剩什么？

结语¶

操作系统课的价值，不是背熟几个系统调用，而是学会在“物理限制、抽象裂缝、数学理想、AI 浪潮”四股力量中提出问题、动手验证、持续迭代。

在 AI 能写代码的时代，唯一不可替代的能力是——提出好问题的能力。