🐧 Cinux

x86_64 操作系统 · 现代 C++ 实现 · SMP 多核 · TCP/IP · GUI 桌面 · GCC 自举

一个基于 x86_64 架构的操作系统——从 Bootloader 到 GUI 桌面、从内核到 GCC 自举,全链路实现。

Note: 本项目迁移自教程操作系统 Cinux

✨ 项目简介

Cinux 是一个基于 x86_64 架构、采用现代 C++17 编写的操作系统。

💡 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）

13 个 Feature 域覆盖内核基础设施、内存管理、SMP 多核、设备驱动、VFS、网络协议栈、IPC、安全、用户态运行时、GUI 分离与 GCC 自举生态。目标平台 QEMU / WSL2 KVM。

🖼️ Screenshots

GUI 桌面环境（左） · CLI 终端环境（右）

从启动到 Shell（左） · 使用Buildroot编译的Rootfs（右）

使用gcc, g++编译C/C++文件，支持多达100+的syscall!

🌟 特性亮点

🧠 完整 x86_64 内核 Bootloader → Mini Kernel → Big Kernel → User Space → GUI,全链路打通;113 个系统调用,对齐 Linux ABI	⚡ SMP 多核 `-smp 2` 双核 online;per-CPU 架构 + IPI/trampoline + 多核调度 + lockdep 锁序图检测
📁 多文件系统 + 三套存储 ext2 读写 / ext4 只读 / tmpfs / ProcFS / DevFS;NVMe + VirtIO-blk + AHCI 三套块设备驱动;Dentry Cache + POSIX flock + 运行时 mount	🌐 TCP/IP 协议栈以太网 / ARP / IPv4 / ICMP / UDP / TCP(握手/序号-ACK/挥手)+ Socket API;真 `ping 10.0.2.2`
🖥️ GUI 用户态桌面 Cinux-GUI Compositor + Widget 树 + Terminal;用户态进程跑(`/dev/fb0` mmap + `/dev/input`),xHCI USB HID 键鼠	👨‍💻 GCC 自举 Cinux 上 `gcc hello.c && ./a.out`、`g++ hello.cpp`,cc1→as→ld 全闭环;默认 PIE;busybox init PID 1
🔒 安全机制 NXE + SMEP + SMAP(机制回读验证)+ ASLR + UID/GID + Stack Canary(-fstack-protector-strong)	🔧 现代 C++17 `constexpr` 编译期生成 GDT/IDT / RAII 锁 / `enum class` 驱动接口 / freestanding 零标准库 / `ErrorOr<T>` 无异常
🔌 musl 动态链接 — 移植 musl 作唯一 libc(不自建),kernel 做 PT_INTERP / interp 加载 / auxv,跑通 musl 动态 hello;双 libc 共存(musl 静态 busybox + glibc 动态 cc1)

📋 完整功能清单

以下清单交叉读源码确认(syscall 注册表 / 驱动目录 / 各子系统实现文件),非仅靠文档声明。

🔍 点击展开完整功能清单(13 个子系统)

🧠 内核与启动链

启动链:MBR(stage1)→ stage2(A20 / E820 / VESA 1024×768×32 / 实模式→保护模式→长模式 / BootInfo@0x7000)→ Mini Kernel(higher-half)→ Big Kernel → 用户态 → GUI
架构:x86_64 长模式,higher-half 内核(-mcmodel=kernel),GDT/IDT constexpr 生成,IST1/IST2 独立中断栈
中断/系统调用:LAPIC(xAPIC)per-CPU timer + IPI、IOAPIC GSI 路由、MSI-X、8259 PIC 兼容回退、SYSCALL/SYSRET(LSTAR/STAR/SFMASK)

📡 系统调用(113 个,对齐 Linux x86_64 ABI)

类别	实现
进程	fork / vfork / clone / clone3(stub) / execve / waitpid / exit / exit_group / yield / getpid / getppid / set_tid_address / tkill
进程组/会话	setpgid / getpgid / setsid / getsid
文件 I/O	read / write / pread64 / readv / writev / open / openat / close / creat / lseek / dup / dup2 / pipe / fcntl / flock / sendfile(stub) / ioctl
文件系统	stat / fstat / lstat / newfstatat / access / getdents / getdents64 / chdir / getcwd / mkdir / rmdir / unlink / rename / link / symlink / readlink / mknod / chmod / chown / umask / utimensat / mount / umount2
网络/Socket	socket / connect / accept / accept4 / bind / listen / sendto / recvfrom / shutdown / getsockname / getpeername / socketpair / setsockopt(stub) / getsockopt
信号	kill / tkill / rt_sigaction / rt_sigprocmask / rt_sigtimedwait / setitimer
IPC	futex / shmget / shmat / shmdt / shmctl
时间	nanosleep / clock_gettime / gettimeofday / time
内存	mmap / munmap / mprotect / brk
凭证	getuid / geteuid / getgid / getegid / setuid / setgid / getgroups / setgroups
信息	uname / sysinfo / getrusage / dmesg
I/O 多路	poll / select
其它	getrandom / sched_getaffinity / arch_prctl / reboot / prlimit64(stub) / rseq(stub) / getcpu(stub) / set_robust_list(stub) / ping(自定义) / cinux_exit(自定义)

💾 内存管理

按需分页:VMA + 缺页处理;匿名页零填充,文件页走 Page Cache
CoW fork:fork 标记 FLAG_COW,写时复制;设备映射(FLAG_PCD)直共享
Page Cache:inode+offset 哈希,命中/回填/写失效,cache 所有权 refcount
Slab 分配器:16~2048B 通用 cache + 专用 cache,double-free 毒哨兵,kmalloc/kfree
mmap/munmap/mprotect/brk:VMA 合并/分裂/查找空闲区
每进程页表:AddressSpace 拥有 PML4,execve 清用户映射
TLB shootdown IPI:vector 0xE1,all-excl-self + invlpg + ack
refcount/mapcount 分离:PhysRef 所有权 + pte_count 映射计数(防 lto_plugin UAF)

⚡ SMP 多核

-smp 2:ACPI MADT 探测 AP,INIT-SIPI-SIPI + trampoline@0x8000 引导
per-CPU:GS.base → PerCpu 块(kernel_stack / current),每 CPU 独立 GDT/TSS/idle
IPI:reschedule(0xE0)唤醒 idle AP、TLB shootdown(0xE1)
lockdep:per-CPU 持锁栈 + 全局锁序图 + AB-BA 死锁检测 + assert_held
RaceWatchpoint(RACE_DETECT):RACE_TOUCH 抓"根本没锁"的跨 CPU 交错 → kpanic
迁移竞态修复:task->on_cpu 防 ctx 保存/恢复竞态

🖥️ 设备驱动

类别	驱动	说明
存储	NVMe / AHCI / VirtIO-blk	三套块设备,均可作 boot disk(默认 AHCI),sync poll IO,512B 扇区
网络	e1000 / VirtIO-net	TX/RX 环,SLIRP 用户态网络(`ping 10.0.2.2`)
输入	xHCI USB HID	boot keyboard + tablet(绝对指针)+ autorepeat;PS/2 键鼠回退
定时器	PIT / HPET / RTC / LAPIC timer	PIT 100Hz 时钟源(mode 2)、HPET 单调时、RTC 墙钟、LAPIC per-CPU 抢占
控制台	Serial 16550 / Console TTY / PTY	行规范 + 信号,PTY master/slave 对(多终端)
图形	Framebuffer / PSF1 font	`/dev/fb0` mmap,2MB huge page 映射
平台	PCI / MSI-X / ACPI(MADT/HPET) / 8259 PIC	设备枚举、中断路由、拓扑发现

📁 文件系统与 VFS

ext2 / ext4:统一驱动,ext2 读写 / ext4 只读;ext4 extent(depth-0 leaf)支持;inode cache;块大小 1/2/4K
tmpfs:内存 FS,读写,/tmp 默认挂载
procfs:/proc/cpuinfo、/proc/meminfo、/proc/<pid>/{stat,cmdline}
devfs:/dev/null、/dev/zero、/dev/console、/dev/ptmx、/dev/pts/N、/dev/fb0、/dev/event0、/dev/tty(按调用者 controlling tty 动态解析)
ramdisk:ustar initrd(早期引导文件)
VFS:Dentry Cache(256 桶哈希;DevFs 动态 lookup 不缓存)、mount 表(最长前缀匹配)、符号链接(循环检测 max 40)、POSIX flock(SH/EX/UN + LOCK_NB)、fd 表(CLOEXEC)

🔌 IPC

pipe:环形缓冲 + 阻塞 + O_NONBLOCK + SIGPIPE/BrokenPipe + EINTR
FIFO:命名管道,内存名注册表
AF_UNIX socket:字节流,bind/listen/accept/connect,4KB RX 环,accept 队列 4
socketpair:AF_UNIX 匿名连接对
SysV shm:shmget/shmat/shmdt/shmctl,物理页 + pte_count,IPC_RMID 延迟清理,SHM_RDONLY
poll/select:共享引擎,pollfd 64 / fd_set,超时,POLLIN/OUT/HUP/ERR
futex:用户态快速互斥

🌐 网络协议栈

L2:以太网帧(14B 头),NetDevice 抽象,loopback
ARP:缓存 + 异步请求/回复,自学习
IPv4:20B 头 + 校验和 + L4 分发(ICMP/UDP/TCP),TTL=64
ICMP:echo request/reply,raw socket 投递 reply
UDP:无连接,端口 demux,8 槽 RX 环,自动临时端口,伪首部校验和
TCP:三次握手 / 状态机(CLOSED…ESTABLISHED…FIN_WAIT)/ 四次挥手 / RST,8KB RX 环,accept 队列 8,序号-ACK
Socket API:AF_INET / AF_UNIX,SOCK_STREAM / SOCK_DGRAM / SOCK_RAW,bind/connect/listen/accept/sendto/recvfrom/shutdown
SLIRP:QEMU 用户态网络,10.0.2.2 网关,busybox ping 可用(SOCK_RAW + setitimer 每秒发包)

🚦 信号

22 个 POSIX 信号(SIGHUP…SIGTTOU),默认动作表(Terminate / CoreDump / Ignore / Stop / Continue)
自定义 handler:sigaction 安装,signal frame(user 栈)+ sigreturn trampoline(int $0x80 @ USER_SIGRETURN_PAGE),RSP%16==8 对齐
信号掩码:rt_sigprocmask(BLOCK/UNBLOCK/SETMASK),SIGKILL/SIGSTOP 不可挡
force_send:同步故障(#PF/#UD)强制投递,绕过 SIG_IGN 防自循环
EINTR:阻塞 IO(pipe/socket/poll)可被信号打断(wait_queue_head + schedule_blocked signal-aware);Mutex/futex/waitpid 不可打断
setitimer:ITIMER_REAL → 周期 SIGALRM(PIT tick 驱动,periodic / one-shot)
作业控制:SIGTSTP(^Z)/ SIGTTIN / SIGTTOU 经 PTY 行规范投递前台 pgrp;SIGCONT 恢复
SIGCHLD:子退出通知 + waitpid 回收 + Zombie

🔒 安全

SMEP / SMAP:CR4 开启(CPUID 门控),stac/clac + access_ok + 异常表修复
ASLR:PIE base(0~~16MiB)+ 栈(0~~8MiB)+ mmap(0~~1GiB)+ brk(0~~16MiB)抖动
NX / W^X:EFER.NXE,非可执行 VMA 置 NX,PT_GNU_STACK 解析
凭证:UID/GID/eUID/eGID + supplementary groups + setuid/setgid
Stack Canary:-fstack-protector-strong

🖼️ GUI 桌面(用户态)

用户态 host:cinux_gui_host 是普通用户进程(mmap /dev/fb0 + poll /dev/event0)
Widget 工具包:WindowManager + Window + DesktopIcon + TerminalWidget + Label
多终端:最多 4 个 PTY shell,点 Shell 图标生成 + 窗口错开
点击聚焦:窗口内点击切键盘焦点到对应 shell
xHCI USB HID:键盘(scancode→ASCII + Ctrl 控制码 + autorepeat)+ 鼠标(绝对/相对)
Ctrl+C:经 PTY 行规范 → 前台 pgrp SIGINT;setsid + TIOCSCTTY 隔离

👨‍💻 GCC 自举

gcc / g++:gcc hello.c && ./a.out、g++ hello.cpp,cc1→as→ld 全闭环
musl 动态链接:PT_INTERP + ldso 加载 + auxv,USER_INTERP_BASE@256MiB
PIE:默认 PIE,ET_DYN + ASLR base
busybox init:PID 1,/etc/inittab respawn /bin/sh

🧪 测试与可观测

run-kernel-test-all:单核 + -smp 2 两 leg,~1946 项,isa-debug-exit 自动退出
sanitizer 矩阵:Debug/Release × UBSAN/LOCKDEP/ASAN/TSAN,CI 6 cell
KALLSYMS + backtrace + panic + memstats:FO 可观测性
机制回读:SMEP/SMAP/CR4/EFER/LSTAR 写后读验证(不靠"没崩就算对")

🏗️ 架构全链路

flowchart TB
    subgraph Boot["Boot 阶段"]
        direction LR
        MBR["MBR"] --> S2["stage2<br/>实模式 → 保护模式 → 长模式"] --> MK["Mini Kernel"]
    end

    Boot -->|两阶段加载| Kernel

    subgraph Kernel["Big Kernel(higher-half,-mcmodel=kernel)"]
        direction TB
        F1F2["F1 类型库 + F2 mm<br/>VMA / PageCache / Buddy / Slab"]
        F3F4["F3 进程线程 + F4 SMP<br/>per-CPU / APIC / 多核调度"]
        F5["F5 驱动<br/>AHCI / VirtIO / NVMe / xHCI / e1000 / HPET"]
        F6["F6 VFS<br/>ext2 / ext4 / tmpfs / ProcFS / DevFS"]
        F7F8["F7 网络 L2~L4 + Socket<br/>F8 IPC Pipe / FIFO / Unix / shm / poll"]
        F9["F9 安全<br/>SMEP / SMAP / ASLR / Canary"]
        F10["F10 用户态<br/>musl / ELF ldso / TTY / PTY"]
        F1F2 ~~~ F3F4 ~~~ F5 ~~~ F6 ~~~ F7F8 ~~~ F9 ~~~ F10
    end

    F10 -->|Ring 3| User

    subgraph User["User Space"]
        USP["busybox + gcc/g++ + Cinux-GUI host(用户态进程)"]
    end

🚀 快速开始

前置要求

本项目使用 CMake 构建目标(⚠️ 根目录无 Makefile,所有命令走 cmake --build)。需要:

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

支持最新的 g++ 15.2 编译(CMake 门禁要求 GCC >= 11)。

方式一:下载预编译镜像一键跑

笔者会手动打Image来发布（不计划做麻烦的自动化）

# 1. 从 Release 下载(boot disk 必下 + 任选一个 variant 的 rootfs + run.sh)
#    cinux-v1.0.0.img           — boot disk(内核镜像,必下)
#    cinux-v1.0.0-console.ext2  — 精简 console(busybox/musl)
#    cinux-v1.0.0-desktop.ext2  — 完整桌面(含 gcc/g++ + cinux_gui_host)
#    run.sh                     — 一键启动脚本(内嵌 qemu 命令)

# 2. 三个文件放同一目录,跑起来
bash run.sh console   # 或 desktop

需要 VNC 客户端查看 GUI(desktop variant)。

方式二:源码构建

🚀🚀🚀 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

#  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 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)

🧪 验证内核改动用哪个?

run-kernel-test(首选):QEMU 内真实内核环境跑完整测试套件(ext2 读写 / syscall / fork-exec / 路径操作 / GUI 等),经 isa-debug-exit 自动退出并报告 pass/fail。改动内核代码后用这个确认。

run-kernel-test-all:一条命令顺序跑 单核 → -smp 2 两套(~1946 项),防"忘跑 SMP 变体",CI 用这个。

test_host:host 端 mock 测试,快但不跑真实内核,适合快速迭代逻辑。

run:交互式 GUI 预览(VNC),不做自动断言,仅用于人肉观察运行效果。

调试模式 1:GDB 大牛请走这里

# 终端 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

# 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: 上面 bash scripts/launch_qemu_debug.sh 已起好 GDB stub。

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。

🧪 测试与质量

run-kernel-test-all:单核 + -smp 2 两 leg,~1946 项全绿(isa-debug-exit 自动退出)。
sanitizer 矩阵:Debug/Release × UBSAN/LOCKDEP/ASAN/TSAN,CI 6 cell 全绿。
真 fork/CoW 压力:-smp 跨核 forktest races=0。
机制回读:启用硬件后写读寄存器验证真生效(SMEP/SMAP/CR4/EFER/LSTAR),不靠"没崩就算对"。
host ASAN 门禁:CI 硬门禁,本地 ctest 默认不开,push 前自验。

详见 CHANGELOG 的测试段。

🛠️ 技术栈亮点

🔍 现代 C++ 内核开发

✅ C++17 特性:constexpr / if constexpr / 结构化绑定
✅ 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,NotNull<T> 指针契约
✅ 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,错误经 ErrorOr<T> 传播(禁 throw/try/catch)
✅ 支持用户态/内核态 SSE(故支持 -O2 Release 构建)

🧪 自研测试框架 + 双轨策略

// 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)

外加 host 端 TSAN/ASAN 并发与内存安全检测,CI 矩阵 resident。

📖 文档与里程碑

ROADMAP — 13 Feature / ~50 Milestone 长弧全树
CHANGELOG — v1.0.0 发版特性清单
document/notes/ — 每批工作记录(正式发布文档)
document/ci/ — 分支/提交/PR/发版工作流

🤝 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

详见 document/ci/ 的工作流约定(分支策略 + 提交规范 + PR 流程)。

📄 许可证

本项目采用 MIT License 开源协议。

🙏 致谢

Cinux 教程项目 - 这是本项目的起源!
OSDev Wiki - 宝贵的 OS 开发知识库
Writing an OS in Rust - 优秀的 OS 开发参考
Linux 内核 - 永远的范式标杆
musl libc / Buildroot / busybox / GCC toolchain - 用户态生态基石
所有为开源社区贡献的开发者

⭐ 如果这个项目对你有帮助,请给一个 Star!

Made with ❤️ by CharlieChen114514

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.githooks		.githooks
.github		.github
assets		assets
boot		boot
cmake		cmake
document		document
kernel		kernel
libs/ext2		libs/ext2
rootfs		rootfs
scripts		scripts
test		test
third_party		third_party
tools		tools
user		user
.clang-format		.clang-format
.clang-tidy		.clang-tidy
.clangd		.clangd
.gitignore		.gitignore
.gitmodules		.gitmodules
AGENTS.md		AGENTS.md
CLAUDE.md		CLAUDE.md
CMakeLists.txt		CMakeLists.txt
LICENSE		LICENSE
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🔌 IPC

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🔒 安全

🖼️ GUI 桌面(用户态)

👨‍💻 GCC 自举

🧪 测试与可观测

🏗️ 架构全链路

🚀 快速开始

前置要求

方式一:下载预编译镜像一键跑

方式二:源码构建

Step 1️⃣: 配置

Step 2️⃣: 构建

Step 3️⃣: Cinux,启动!

调试模式 1:GDB 大牛请走这里

调试模式 2:VSCode 大牛请走这里(是的别坐牢,如果不喜欢 GDB!)

🧪 测试与质量

🛠️ 技术栈亮点

🤝 参与贡献

📄 许可证

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