PennOS — 类 Unix 教学操作系统

概览

用 C 实现的类 Unix 操作系统特性：带作业控制与 I/O 重定向的 Shell、基于 spthread 的 SIGALRM 驱动优先级调度器、含信号与僵尸进程的完整进程生命周期，以及 PennFAT 磁盘文件系统——全部接入本站的沙箱在线终端。

问题

课程规模的操作系统毫不宽容——非法输入、部分写入、信号竞态与糟糕的调度决策都会破坏进程与磁盘状态。挑战在于让这些组件在所有这些情况下都表现可预期，并让真实访客能在浏览器里驾驶它而不危及主机。

我做了什么

用分层的 C 实现：顶层是 Shell 解析器与内建命令，中间是面向用户的 s_* 系统调用，底层是调度器 / 进程与 PennFAT 的 k_* 原语，最底层是 spthread（POSIX 线程 + SIGALRM）。随后把二进制放在一个带类型的 Node WebSocket 边车之后，以逐会话 prlimit 沙箱运行，让任何人都能在浏览器里启动一个真实的 PennOS。

架构

• Shell 层 — 解析器、内建命令（ls、cat、ps、jobs、fg、bg、kill、chmod、nice、sleep）、I/O 重定向（< > >>）与异步后台作业
• 用户 API（s_*）— s_spawn、s_waitpid、s_kill、s_open、s_read、s_write、s_lseek，作为 Shell 与内核之间的系统调用边界
• 进程 / 调度器 — PCB 表、三级优先级（9:6:4 调度比）、SIGALRM 驱动的抢占、僵尸回收、孤儿进程重挂到 init
• PennFAT（k_*）— FAT 风格的磁盘格式：显式超级块、FAT 表与目录项，外加把 Shell fd 映射到内核对象的 fd 表
• spthread 基座 — 基于 POSIX 线程的协作式挂起 / 恢复原语，用于实现上下文切换与信号投递
• 在线终端 — 位于 127.0.0.1:3100 的 Node + ws + node-pty 边车，prlimit 包裹（CPU 120s、RSS 96 MiB、FSIZE 2 MiB、NOFILE 32、NPROC 24），逐会话临时 PennFAT 镜像，空闲 / 硬超时，经 Nginx 以 /ws/pennos 反向代理并按 IP 限流

技术亮点

• 三级优先级调度器，9:6:4 时间片比例，由 SIGALRM 抢占，构建在 spthread 挂起 / 恢复原语之上。
• 终端作业控制：jobs、fg %N、bg %N、Ctrl-C / Ctrl-Z 转发、孤儿重挂到 init、通过 s_waitpid 回收僵尸。
• I/O 重定向（<、>、>>）经由包装 PennFAT k_* 文件操作的 s_* fd 表贯通。
• 以 Shell 命令形式暴露的压力演示：busy、hang、nohang、recur、crash、zombify、orphanify——专为搞坏内核而写，并证明它搞不坏。
• PennFAT 磁盘格式：显式超级块、FAT 风格链表、单根目录、可通过 chmod +/-rwx 设置的文件权限位。
• 浏览器在线会话使用带类型的 JSON 协议走 WS，按 IP 与全局限制会话数，prlimit 包裹子进程，断开时清理逐会话临时目录。

成效

• 构建出一个小而真实的内核表面，在恶意输入下锻炼调度、信号与文件系统代码。
• 以可上手的作品而非压缩包交付：访客可在浏览器里启动沙箱 PennOS，无需我代为运行任何东西。