plumpmath / pyos-1

A multitask OS implemented in pure Python coroutine

PyOS

一个由Python coroutine实现的简化版操作系统

Under the hood

现在操作系统中，一般用进程来抽象正在运行的任务。进程有以下几个核心特征：

1. 独立的控制流
2. 独立的内部状态
3. 可以被调度（挂起/恢复/关闭）
4. 可以与其他进程通信

coroutine 具有上述特征：

1. 一个coroutine本身也是一个subroutine（子过程），所以拥有独立的控制流
2. 子过程拥有内部变量，可以用来保存内部状态
3. 在一个coroutine中，yield可以将其挂起，send可以将其恢复，close可以将其关闭

至于进程的第四个特征（与其他进程通信），是由操作系统协助完成的。那么操作系统是如何在多个进程间进行调度的呢？

Interrupts and Traps

操作系统是通过中断（interrupts）与陷阱（traps）从正在运行的进程中获取控制权的。

• 中断，一些硬件相关的信号，像I/O中断，时钟（timer）中断，键盘中断等
• 陷阱，由软件产生的信号

当系统发生上面两种情况，CPU 把正在运行的进程挂起，把控制权转交给操作系统，这时操作系统就可以在多个任务间进行切换了。

yield语句可以看作是一种traps，利用这一点，我们就可以使用 Python 的 coroutine 来实现一个操作系统了。

Task Scheduler

这里实现的操作系统，核心是一个调度器，它里面主要包括两个队列：

• Ready Queue，该队列中保存的是可以运行的任务
• Wait Queue，该队列中保存的是可以需要等待的任务

Non-blocking I/O

使用select模块来监控活跃的 socket 或 file，示例代码：

reading = []    # List of sockets waiting for read
writing = []    # List of sockets waiting for write

# Poll for I/O activity
r,w,e = select.select(reading,writing,[],timeout)
# r is list of sockets with incoming data
# w is list of sockets ready to accept outgoing data
# e is list of sockets with an error state

堵塞型I/O类似于需要等待的任务，使用这种机制，就能够让这里的调度器支持异步I/O了。

见 main_echo.py

Reference

• http://www.dabeaz.com/coroutines/Coroutines.pdf
• https://www.python.org/dev/peps/pep-0342/
• http://book.pythontips.com/en/latest/coroutines.html