關(guān)于操作系統(tǒng)知識詳細解讀

一、操作系統(tǒng)是基礎(chǔ)軟件，分為閉源和開源兩類

廣義的操作系統(tǒng)包括：計算機（PC、工作站、服務器）系統(tǒng)、移動端系統(tǒng)（例如鴻蒙）、嵌入式系統(tǒng) 等。本篇報告只涉及計算機操作系統(tǒng)。

計算機操作系統(tǒng)的功能角色：作為用戶和計算機硬件資源之間的交互，管理調(diào)度硬件資源，為應用 軟件提供運行環(huán)境。操作系統(tǒng)屬于基礎(chǔ)軟件，是系統(tǒng)級程序的匯集，為用戶屏蔽底層硬件復雜度， 并提供編程接口和操作入口。

操作系統(tǒng)控制處理器（CPU）調(diào)度系統(tǒng)資源，控制應用程序執(zhí)行的時機， 決定各個程序分配的處理器時間（CPU time）。操作系統(tǒng)需要兼容底層硬件和應用軟件，才能實現(xiàn)計 算機的功能。

根據(jù)核心代碼是否向開放，操作系統(tǒng)可劃分為兩類：開源系統(tǒng)、閉源系統(tǒng)。

1. 閉源操作系統(tǒng)：代碼不開放，以微軟 Windows 系統(tǒng)為代表

微軟公司內(nèi)部的研發(fā)團隊開發(fā) Windows 操作系統(tǒng)，并開發(fā)配套的應用軟件，比如 Office。在生態(tài) 建設(shè)方面，Intel 和 Windows 長期合作形成 Wintel 體系，在 PC 端市占率全球領(lǐng)先

Windows 系統(tǒng)的訪問分為 User mode（用戶模式）和 Kernel mode（內(nèi)核模式）。用戶級的應用程序在 用戶模式中運行，而系統(tǒng)級的程序在內(nèi)核模式中運行。

內(nèi)核模式允許訪問所有的系統(tǒng)內(nèi)存和 CPU 指令。Windows 系統(tǒng)從最早期的 16 位、32 位到現(xiàn)在流行的 64 位，系統(tǒng)版本從最初的 Windows 1.0 到 Windows 95、Windows 98、Windows 2000、Windows 2003、Windows XP、Windows Vista、Windows 7、Windows 8、Windows 8.1、Windows 10 和 Windows Server 服務器企業(yè)級 操作系統(tǒng)，不斷持續(xù)更新。

Windows 系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于圖形界面，使得普通用戶操作起來非常便利。相比大部分 Linux 系 統(tǒng)，windows 的常用軟件安裝和系統(tǒng)設(shè)置不需要以命令行的方式去輸入系統(tǒng)指令，只需要點擊“按 鈕”即可完成。如今，絕大多數(shù)常見軟件、專用軟件和底層硬件都支持 Windows 操作系統(tǒng)，形成 了 Window 強大的生態(tài)整體。

2. 開源操作系統(tǒng)：代碼免費開放，以 Linux 操作系統(tǒng)為代表

Linux kernel（內(nèi)核）由 Linus Torvalds 在 1991 年發(fā)布，代碼免費公開，由全球開發(fā)者共同貢獻， 已成為影響最廣泛的開源軟件項目。以 Linux 內(nèi)核為基礎(chǔ)，不同的開發(fā)團體（開源社區(qū)、企業(yè)、個 人等）對內(nèi)核代碼進行一定的修改和補充，加入 GUI（圖形界面）、應用等部分，形成了相應的 Linux 操作系統(tǒng)發(fā)行版。

Linux 系統(tǒng)版本之間存在衍生關(guān)系，由此形成 RedHat、Slackware、Debian 等幾大家族，各家族 內(nèi)部又衍生出一些著名版本，如 Ubuntu、SUSE、CentOS、Red Hat Enterprise Linux、Fedora 等。

Linux kernel 是開源項目，由全球范圍的開發(fā)者（企業(yè)、團體、獨立開發(fā)者）共同貢獻源代碼。Linux 的官方組織是 Linux 基金會，作為非盈利的聯(lián)盟，協(xié)調(diào)和推動 Linux 系統(tǒng)的發(fā)展，以及宣傳、保護 和規(guī)范 Linux。Linux 基金會由開源碼發(fā)展實驗室（Open Source Development Labs，OSDL）與自 由標準組織（Free Standards Group ，F(xiàn)SG） 于 2007 年聯(lián)合成立。

開源社區(qū)是 Linux 系統(tǒng)的創(chuàng)新源泉和主要的開發(fā)場所。Linux 操作系統(tǒng)發(fā)行版分為社區(qū)版本和商 業(yè)版本。社區(qū)版本數(shù)量較多，其開發(fā)和維護的主體是開源社區(qū)。少數(shù)的商業(yè)版本（比如紅帽企業(yè)版） 則是在社區(qū)版本的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化而來。整體來看，無論是否涉及商業(yè)活動，開源社區(qū)是 Linux 發(fā)行版的創(chuàng)新來源和主要的開發(fā)場所。而成熟的開源社區(qū)通常由相應的開源基金會（或者項目委員 會）進行管理。開源基金會為開發(fā)社區(qū)制定了規(guī)則，進行資源管理，負責可能的商務對接，以及保 護社區(qū)的健康運轉(zhuǎn)。社區(qū)的開源基金會（委員會）一般由開源貢獻方進行贊助和決策支持。

許多開源社區(qū)背后都有一個主導企業(yè)，為社區(qū)提供資金和研究支撐，甚至直接委派員工參與開源 項目。例如，F(xiàn)edora 社區(qū)的核心開發(fā)者中 1/3 是紅帽的正式雇員。通過資助和維護開源社區(qū)的方 式，企業(yè)可以發(fā)揮研究力量的“杠桿”作用，通過向社區(qū)輸入自有的研究資源，吸引更多的外部貢 獻者參與進來，擴大創(chuàng)意來源；另一方面，開源社區(qū)版本也成為企業(yè)擴大技術(shù)影響力的重要途徑。

Linux 操作系統(tǒng)由 4 部分組成：kernel、shell、文件系統(tǒng)、應用程序。Kernel（內(nèi)核）是操作系統(tǒng)的 核心，不同于 windows 的內(nèi)核，Linux 的內(nèi)核不僅實現(xiàn)了進程調(diào)度、內(nèi)存管理、中斷處理、異常陷 阱處理，而且還實現(xiàn)了進程管理、進程通信機制、虛擬內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)驅(qū)動和 USB、網(wǎng)絡(luò)、聲 音等各類設(shè)備驅(qū)動子系統(tǒng)，決定了整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。而 shell 是系統(tǒng)的用戶界面，提供用 戶與內(nèi)核交互的接口，接收用戶輸入的命令并送入內(nèi)核去執(zhí)行。

Linux 操作系統(tǒng)主要的優(yōu)勢領(lǐng)域是服務器和嵌入式。據(jù) Linux 基金會統(tǒng)計，全球 90%的公有云平 臺采用了 Linux 系統(tǒng)，99%的超算和 62%的嵌入式設(shè)備也都是基于 Linux。亞馬遜 AWS、微軟 Azure、微軟 Azure、谷歌云平臺和阿里云等主流云服務商，都提供了 Linux 系統(tǒng)方案。全球公有 云平臺運行的所有應用，超過 54%是運行在 Linux 虛擬機上。甚至微軟 Azure 的近 30%的虛擬機 也是基于 Linux。根據(jù) IDC 在 2017 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球服務器操作系統(tǒng)使用份額（免費+付費）中， 68%是 Linux 服務器操作系統(tǒng)。

Linux 操作系統(tǒng)在服務器領(lǐng)域的普及，主要由于 3 個方面：

1）創(chuàng)新方面，集思廣益。全球開發(fā)者對 Linux 內(nèi)核保持了持續(xù)的更新，提供了充足的創(chuàng)新動力。據(jù) GitStats 分析結(jié)果，截至 2018 年 9 月，已有超過 19000 名開發(fā)者為 Linux 內(nèi)核貢獻了代碼， 這些開發(fā)者遍布全球范圍超過1500個組織/企業(yè)。廣泛分布的開發(fā)者，從不同視角不同方面對Linux 內(nèi)核的補充，使得 Linux 系統(tǒng)得以快速適應服務器領(lǐng)域的變化。

2）系統(tǒng)代碼可以修改和自定義，用戶可調(diào)用計算機資源的自由度極高。Linux 操作系統(tǒng)的使用者 可以輕松查看系統(tǒng)代碼，可以自由修改代碼來修補常見的問題，也可以開發(fā)自己的程序并添加入 Linux 操作系統(tǒng)中。相比 Windows 等閉源系統(tǒng)，Linux 支持了使用者對于計算機資源極大的使用自 由度，支持專業(yè)用戶去構(gòu)建和自定義服務器，由此獲得了互聯(lián)網(wǎng)公司、云計算公司的青睞。

3）運行效率高，運維成本低。Linux 系統(tǒng)在服務器上面的運行效率較高，相對比較輕量化，除非硬 件資源分配出現(xiàn)問題，不易出現(xiàn)系統(tǒng)卡死狀況。而且 Linux 系統(tǒng)天然地支持虛擬化。因此，在服務 器集群上，Linux 系統(tǒng)的運維成本較低。

4）安全。Linux 從發(fā)展根源上就是針對多用戶系統(tǒng)設(shè)計的，系統(tǒng)管理員和 root 用戶具有系統(tǒng)管理 權(quán)限。Linux 面向全球開發(fā)者開源，系統(tǒng)文件都是文檔，在全球開發(fā)者多次的篩查和更新中，基本 排除了“后門植入”的可能。實際應用中，普通不成熟的 Linux 操作系統(tǒng)確實可能存在安全問題， 也是和系統(tǒng)的文檔屬性有關(guān)。例如，用戶 root 權(quán)限和 sudo 指令可在有意或無意間修改 Linux 系 統(tǒng)文檔，可能會對其他用戶或整個系統(tǒng)造成不利影響。因此，成熟的 Linux 操作系統(tǒng)解決方案，有 必要對這類屬性進行設(shè)計方面的防范，去進行適當?shù)臋?quán)限屏蔽。而這些安全屬性的設(shè)計，本質(zhì)上并 不存在難以解決的障礙。

二、國產(chǎn)操作系統(tǒng)是新基建的重要基礎(chǔ)數(shù)字經(jīng)濟成為我國經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐。

近年來，中國經(jīng)濟發(fā)展的環(huán)境發(fā)生重大變化，人口紅利、 城鎮(zhèn)化等驅(qū)動因素對增長的邊際貢獻下降，傳統(tǒng)調(diào)控手段負面效應增加，中國經(jīng)濟增長面臨一定的 下行壓力。而數(shù)字經(jīng)濟的快速發(fā)展，以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等為 代表的新一代數(shù)字科技與實體經(jīng)濟的日趨融合，新市場與新業(yè)態(tài)的層出不窮，為中國經(jīng)濟增長注入 了新的源泉。據(jù)中國信息通信研究院《中國數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展與就業(yè)白皮書（2019）》顯示，2018 年 中國數(shù)字經(jīng)濟規(guī)模占 GDP 比重達 34.8%，對 GDP 增長的貢獻率超過三分之二；2016—2018 年，數(shù)字經(jīng)濟連續(xù) 3 年維持 20%以上的名義增速，高于同期 GDP 名義增速十余個百分點，為中國經(jīng)濟 提供了重要支撐。

新一輪數(shù)字經(jīng)濟基礎(chǔ)建設(shè)拉開序幕。2020 年 3 月 4 日，中共中央政治局常務委員會會議強調(diào)，加 快 5G 網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進度。新一輪數(shù)字經(jīng)濟基礎(chǔ)建設(shè)啟動，各地紛紛出臺相 應政策推動新基建項目的實施。

操作系統(tǒng)作為軟件應用的基礎(chǔ)和平臺，直接關(guān)系到信息安全。棱鏡門事件，使得信息安全正式成為 國際關(guān)注的重要問題。而操作系統(tǒng)作為最重要最根本的基礎(chǔ)軟件，是所有應用軟件和數(shù)據(jù)處理場景 的基礎(chǔ)和平臺，直接關(guān)系到信息安全。在過去的國際貿(mào)易摩擦中，針對基礎(chǔ)軟硬件（芯片、操作系 統(tǒng)等）的限制事件再一次提升了信創(chuàng)戰(zhàn)略的重要性。

操作系統(tǒng)的 Wintel 體系壟斷，也對信息安全造成了不利影響。在 Windows XP 停服三年后，全球 迎來了史上最嚴重的一次病毒攻擊—WannaCry 借“永恒之藍”漏洞發(fā)起攻擊，襲擊了安裝 Windows 系統(tǒng)的設(shè)備，對全國多個國家造成了較為嚴重的經(jīng)濟損失。2020 年 1 月 14 日，微軟 win7 停服，使得現(xiàn)有已安裝 win7 系統(tǒng)的設(shè)備再次暴露于漏洞風險中。因此，在關(guān)鍵領(lǐng)域推廣國產(chǎn) 操作系統(tǒng)，已經(jīng)成為迫切需求。

三、國產(chǎn)操作系統(tǒng)的生態(tài)是關(guān)鍵，開源是重要途徑

壁操作系統(tǒng)的行業(yè)壘：開發(fā)成本高、生態(tài)建設(shè)難

1. 操作系統(tǒng)開發(fā)成本高

計算機操作系統(tǒng)開發(fā)是一項龐大而復雜的工程。軟件開發(fā)工作量可以用代碼行數(shù)進行粗略表征。主 流的操作系統(tǒng)代碼量都比較龐大，而且隨著版本升級呈增長趨勢。據(jù)公開可查證資料顯示， Windows Vista（2007）有5000萬行代碼， Windows 7（2009）和Windows XP（2001）各有4000萬行， Windows 2000 有 2900 萬行代碼，相比 1992 年的版本增長了數(shù)十倍。

對于 Linux 操作系統(tǒng)，僅 Linux 內(nèi)核 4.13 就包含 6 萬個系統(tǒng)文件，代碼量近 2500 萬行。成熟的 Linux 操作系統(tǒng)發(fā)行版需要 在內(nèi)核基礎(chǔ)上加入 GUI 以及必要的應用文件，總的代碼量會更高。

如果采用閉源的開發(fā)方式，操作系統(tǒng)開發(fā)所需要的資金和人力資源較大。比如微軟，一方面要進行 Windows 系列的開發(fā)、升級和維護，另一方面也要為 Windows 系統(tǒng)開 發(fā)關(guān)鍵的應用軟件，包括 Office、Microsoft Visual Studio（集成開發(fā)環(huán)境 IDE）等，每年的研發(fā)費用 達百億美元。2019 財年（18 年 6 月-19 年 6 月）微軟的研發(fā)費用 169 億美元，員工達 14.4 萬人。

如果假設(shè) Linux 操作系統(tǒng)都是閉源開發(fā)的，相應的成本也比較高。據(jù)“ Linux 中國”官方賬號報道， David A. Wheeler 等研究了 Linux 發(fā)行版代碼行數(shù)代表的復雜性，指出 Linux 2002 年發(fā)行版對 應的閉源開發(fā)成本為 12 億美元。而如果閉源開發(fā) Fedora 9 發(fā)行版（2008 年發(fā)布），估計需要投入 108 億美元。從開發(fā)者數(shù)量角度，據(jù) GitStats 分析結(jié)果，截至 2018 年 9 月，已有超過 19000 名 開發(fā)者為 Linux 內(nèi)核貢獻了代碼，這些開發(fā)者遍布全球范圍超過 1500 個組織/企業(yè)。

2.操作系統(tǒng)生態(tài)建設(shè)難

操作系統(tǒng)的生態(tài)建設(shè)，首先在于完善的軟/硬件兼容適配。

操作系統(tǒng)和底層硬件、應用軟件的兼容，在技術(shù)上并不是輕易就能實現(xiàn)。在適配底層硬件層面，引 用龍芯技術(shù)專家的觀點“操作系統(tǒng)需要針對不同的主板和升級后的CPU進行磨合適配，而在Wintel 體系中可以實現(xiàn)不同主板及 CPU 的操作系統(tǒng)二進制兼容，其背后是 Wintel 體系統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)，包括指令系統(tǒng)、地址空間布局、中斷系統(tǒng)、多核互聯(lián)架構(gòu)、IO 接口規(guī)范等，需要 CPU、BIOS、橋 片、操作系統(tǒng)配合完成?！痹趹密浖矫妫枰浖_發(fā)商針對操作系統(tǒng)的版本進行相應的調(diào)試 和調(diào)優(yōu)，同款應用軟件經(jīng)常有多個版本以適應不同的操作系統(tǒng)。

操作系統(tǒng)對軟/硬件的兼容是雙向的，需要操作系統(tǒng)技術(shù)路線有足夠的影響力。兼容不只是需要操 作系統(tǒng)自身的努力，也要硬件/應用軟件廠商主動配合，在硬件/軟件產(chǎn)品設(shè)計方面進行適當調(diào)整。在操作系統(tǒng)技術(shù)路線的影響力足夠強的前提下，硬件/軟件廠商才有足夠強的動機進行配合。

在生態(tài)兼容方面，主流操作系統(tǒng)推出時間都比較早，經(jīng)歷了多次的版本迭代，和硬件、應用軟件廠 商共同成長，先發(fā)優(yōu)勢顯著。Windows 生態(tài)建設(shè)：在個人 PC 機誕生初期，微軟就推出了操作系 統(tǒng)軟件，憑借發(fā)優(yōu)勢迅速普及。通過和芯片廠商、軟件應用廠商以及自研應用的長期磨合，Windows 系統(tǒng)如今已具備龐大的用戶群體和長期養(yǎng)成的用戶習慣；Linux 生態(tài)建設(shè)：Linux 內(nèi)核開源通過全 球開發(fā)者和主流 IT 廠商的參與，經(jīng)歷了多代升級和完善，獲得了較廣泛的軟硬件支持，但部分專 業(yè)軟件（特別是某些大型商業(yè)軟件）尚未支持 Linux 架構(gòu)。

獲取用戶群體也是生態(tài)建設(shè)的難點。從用戶選擇角度，新的操作系統(tǒng)廠商面臨 4 個挑戰(zhàn)：用戶習 慣、服務支持力度、安全、遷移成本。在用戶習慣方面，普通用戶養(yǎng)成了對 Windows 圖形界面的 使用習慣，缺乏足夠的動力去主動選擇陌生界面的操作系統(tǒng)；在服務和支持力度方面，企業(yè)級用戶 強調(diào)軟件產(chǎn)品的穩(wěn)定性，需要有較強的服務和技術(shù)團隊去及時對接用戶，以及滿足用戶的部分定制 化需求；從安全角度，操作系統(tǒng)這里基礎(chǔ)軟件，直接關(guān)系到用戶的信息安全，供應商要有足夠的技 術(shù)實力去解決可能出現(xiàn)的漏洞、網(wǎng)絡(luò)攻擊等風險；遷移成本也很重要，選擇新的操作系統(tǒng)，則需要 用戶把部分軟件和數(shù)據(jù)遷移過去，產(chǎn)生遷移成本，操作系統(tǒng)供應商要有足夠的技術(shù)實力解決遷移問 題。

我們認為，國產(chǎn)操作系統(tǒng)理想的發(fā)展路徑：自主版本形成——建立初步、穩(wěn)定的用戶群體——“可 用”向“好用”升級——實現(xiàn)市場良性循環(huán)。

1）選擇適當?shù)募夹g(shù)路線，形成自主版本。最佳的選擇是基于開源資源。在 Linux 內(nèi)核的基礎(chǔ)上， 進一步開發(fā)形成自主的操作系統(tǒng)版本，縮短開發(fā)時間周期同時節(jié)約開發(fā)成本?！罢驹诰奕说募绨?上”，采用開源內(nèi)核，省去了重復造輪子的過程，操作系統(tǒng)廠商可以把精力集中于提升用戶體驗和 生態(tài)推廣方面。事實上，國產(chǎn)操作系統(tǒng)基本上都以 Linux 內(nèi)核為基礎(chǔ)進行開發(fā)。

2）通過政策支持形成初步、穩(wěn)定的用戶群體，達到“可用”狀態(tài)。在政策支持下，有望初步形成 穩(wěn)定的、成規(guī)模的用戶群體。而用戶群體的建立，提高了軟/硬件廠商的適配意愿。在完成常用軟/ 硬件生態(tài)建設(shè)的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品達到“可用”層面，基本滿足用戶日常的辦公需求。

3）“可用”到“好用”升級，進入市場良性循環(huán)階段，擴大用戶群體。在對初步的客戶群體進行 服務和技術(shù)支持的過程中，廠商不斷完善系統(tǒng)版本，通過版本迭代提升產(chǎn)品性能，逐漸達到“好用”， 進入良性的市場循環(huán)。
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