淺談操作系統(tǒng)發(fā)展現狀

本文是“2021 InfoQ 年度技術盤點與展望”系列文章之一。

1操作系統(tǒng)的時代意義與波瀾不驚的應用環(huán)境

自 1946 年第一臺計算機誕生以來，人類開始走向數字化時代，1956 年出現第一代批處理系統(tǒng)——GM-NAA I/O，時至今日計算機與操作系統(tǒng)經歷了五十多年的伴隨式發(fā)展，人們開始越來越習慣計算機技術為生活、工作、學習以及娛樂所帶來的豐富多彩的體驗。

從智能手表到手機，從平板電腦、筆記本到臺式電腦，以及現在幾乎全部在線的應用軟件背后存在的大量服務器設備，人們每天頻繁地使用上面的應用幫助自己完成日常生活、工作任務。操作系統(tǒng)作為支撐計算機有序運行的底層基礎技術，已經成為信息化時代一臺計算機的靈魂所在，而靈魂往往是最難以被觸及的。

“中國信息產業(yè)缺芯少魂”——早在 1999 年中國科學院院士，時任科技部部長的徐冠華先生就曾指出這一核心問題。二十多年后的今天，面對核心技術封鎖的風險，中國信息產業(yè)的芯(芯片)與魂(操作系統(tǒng))正在發(fā)生著劇烈的變化。

雖然操作系統(tǒng)在應用場景中面向用戶的存在感并不高，但卻是必不可少的根技術，正是操作系統(tǒng)使得人機交互效率與體驗一直不斷進步發(fā)展，甚至影響著計算機技術、互聯網技術的發(fā)展方向。

通用終端環(huán)境

以目前的應用場景，通用終端主要包括個人計算機、服務器、平板電腦、智能手機，以 Windows、OS X、Linux、iOS、Android 為主要操作系統(tǒng)。在移動互聯網時代，Android、iOS 等移動操作系統(tǒng)已經趕超個人計算機、服務器等終端操作系統(tǒng)的市場份額。

而在這些終端設備的應用環(huán)境中，操作系統(tǒng)由于其基礎屬性，變革周期相較其上的應用更漫長，技術發(fā)展更緩慢，追求得更多的是穩(wěn)定和安全，以保障用戶在其上平穩(wěn)的安裝部署使用各類應用軟件。用戶對操作系統(tǒng)的感知度相對較低，市場對操作系統(tǒng)領域的變化并不敏感，各操作系統(tǒng)廠商的主要研發(fā)投入方向也悄然地發(fā)生著變化。

2021 年 12 月，市值一度超過蘋果公司，成為市值第一的微軟，在 2021 年 Q4 財報中，服務器和云服務營收增長 26%，其中 Azure 云服務收入增長達 50%，預計在 2022 年收入規(guī)模超過旗下 Office，成為微軟最大收入來源。在新技術方面，微軟一直對其 MR 產品 Hololens 非常重視，而在云服務項目上，也正在計劃提供云端 Rigetti 超導量子計算機服務，傳統(tǒng) PC 操作系統(tǒng)已經逐步退出微軟公司的第一業(yè)務陣線。

蘋果公司在 OS X 和 iOS 的投入目前并不明朗，但一直以來，蘋果公司都致力于新領域的探索，Apple Class、Apple Car 以及 Apple Watch 等新型智能設備的研發(fā)投入巨大。操作系統(tǒng)雖然仍是蘋果公司的重要產品，但以蘋果公司的營收模式來看，操作系統(tǒng)并不能直接為其帶來收入，所以新的智能設備也許是蘋果公司更加關注的方向。

Android 系統(tǒng)為移動互聯網時代帶來了繁榮，其開放自由的模式讓更多開發(fā)者投入其中，各大手機廠商也依賴 Android 生態(tài)來構建自己的移動設備(包括平板電腦)，但眾所周知的是，谷歌一直以來并不仰賴 Android 為收入點，谷歌的搜索引擎及廣告依然是其主要的收入來源。而在技術探索上，谷歌在云計算、人工智能等方面一直有著重度的研發(fā)探索，在量子計算、人工智能等方面有著領先全球的技術優(yōu)勢。

Linux 系統(tǒng)方面，作為開源的操作系統(tǒng)，其最知名的商業(yè)公司 RedHat 幾乎一家獨大，其主要成功點在于無法模仿的商業(yè)模式。在過去十年里，RedHat 從銷售企業(yè)版 Linux，發(fā)展至今，已經涵蓋存儲、中間件、虛擬化、云計算領域，都是依靠像企業(yè)版 Linux 一樣的流程，實現了“紅帽”系產品陣列，RedHat 已經不再是一家單純的 Linux 操作系統(tǒng)公司。

而在 Linux 的上層社區(qū)，Linux Kernel 開源社區(qū)的技術生態(tài)也不樂觀。Linux Kernel 的創(chuàng)始者 Linus Torvalds 在一次關于 Linux 內核維護的未來討論中，曾提到“在他們這批 Linux 內核維護者老去之后，很難再找到新的繼任者，因為在很多年輕開發(fā)者看來，Linux 內核項目并不那么有趣。”而 Linux 基金會也正在全力發(fā)展云原生基金會(CNCF)，這為整個云計算生態(tài)帶來了很大的推進和影響，也預示著在云端底層技術的發(fā)展方向。

2021 年，普華基礎軟件也發(fā)布了三款面向云端的新型產品：普華太極服務器操作系統(tǒng)、普華太初云云管平臺以及普華太易智能運維平臺。支撐國內關鍵行業(yè)的云端業(yè)務發(fā)展，構建自動化、數字化的云端底座。

智能設備環(huán)境

在智能設備方向上，操作系統(tǒng)仍然擔任著最重要的基礎支撐作用。智能設備主要包括智能可穿戴設備、智能家居電器以及專業(yè)領域的智能機具，目前主要使用 Linux、Android 以及 RTOS 為底層操作系統(tǒng)。

在智能設備環(huán)境中，針對使用場景和硬件的非標準化情況，操作系統(tǒng)需要針對性的進行修改、剪裁，用戶在此類環(huán)境中對操作系統(tǒng)的感知更加薄弱。體驗感知更多的是專用的應用軟件，例如智能手表中的時間、心率監(jiān)測以及 GPS，掃地機器人的自動尋路、遙控以及空氣墻功能。專業(yè)領域更是針對特定場景的定制化應用，例如人臉識別登記系統(tǒng)、銀行自動發(fā)卡系統(tǒng)等。

云計算環(huán)境

在云計算環(huán)境下，操作系統(tǒng)主要集中在服務器層面，而目前全球服務器的系統(tǒng)支撐主要依賴 Linux 的各種發(fā)行版。在全球云計算服務市場份額第一的 Amazon EC2 上，各類 Linux 發(fā)行版本覆蓋了 92% 的計算實例，Windows Server 只占 8%，而在全球最強的 500 臺超級計算機名單中，Linux 操作系統(tǒng)占據了 498 臺，其他兩臺是運行 Unix 的 AIX。

在網絡時代的今天，幾乎所有的應用和服務都已經連接云端，人們對服務器的需求量逐步增大，這些服務器以及上面承載的信息如同空氣一樣已經全面覆蓋到了人類世界的每一個角落，而也正如空氣一樣，終端用戶對服務器及其之上的操作系統(tǒng)很難感知，人們談論更多的是網絡傳輸的速率、網絡服務的內容。

20 年間，隨著應用技術的發(fā)展，在不同的應用環(huán)境中，操作系統(tǒng)作為底層技術已經成為人們習以為常的基礎軟件平臺，那么，操作系統(tǒng)技術的發(fā)展是否會因為用戶感知的忽略而停滯不前呢?

答案是否定的，雖然操作系統(tǒng)在表層的顯現上逐步下降，但是底層技術的發(fā)展從未停止，依舊風起云涌。

2風起云涌的技術狂潮架構劇變與操作系統(tǒng)的蛻變 芯片領域的技術變化

計算機技術架構中，操作系統(tǒng)置于以芯片為核心的基礎硬件層之上。2021 年，芯片領域技術發(fā)生了劇烈的變化，隨之而來的是對操作系統(tǒng)需求的變化。

2020 年 11 月 11 日，蘋果發(fā)布了最新的 M1 芯片，并搭載到蘋果多個桌面平臺產品。M1 芯片并非傳統(tǒng)意義的 CPU，實際上是一顆 SoC 芯片(System on Chip，系統(tǒng)級芯片)，這是一種芯片級高度集成的處理器，能夠大幅降低系統(tǒng)功耗，運行速度也是芯片級的提升，這為蘋果的用戶帶來了前所未有的體驗。

但要做到蘋果 M1 芯片這樣的水平，門檻是極高的。首先蘋果產品具備完整地生態(tài)和供應鏈，在封閉系統(tǒng)下的軟硬件技術積累以及充足的研發(fā)投入，當然這并不是蘋果公司獨創(chuàng)的絕技，實際上在移動終端領域早就使用了這樣的技術模式，例如智能手機的芯片。

計算機技術一直以來都是算力不斷擴展→壓縮→集成→擴展→再壓縮→集成的循環(huán)發(fā)展模式，世界第一臺 CPU 占地 170 平米，重達 30 噸，每秒運算 5000 次，而現在一顆蘋果 M1 芯片每秒運算高達 11 萬億次。在這過程中，操作系統(tǒng)已經發(fā)生了翻天覆地的變化。

在傳統(tǒng) CPU 模式下，操作系統(tǒng)是置于硬件之上的系統(tǒng)，而現在在 SoC 芯片的部分應用場景下，操作系統(tǒng)甚至已經開始集成至芯片內，這對算力的壓榨又進了一步。

基礎硬件算力的提升，操作系統(tǒng)技術的下沉，將出現高度集成的高算力計算架構，還是會誕生傳統(tǒng)操作系統(tǒng)之上的新型操作系統(tǒng)? 皆有可能。

在高度集成的設想下，芯片中僅針對實時需求的算力傳輸集成剪裁的操作系統(tǒng)，能夠大幅增加專用方向的計算能力，例如 AI 算力、數據庫加速等，而在通用應用場景中仍然繼續(xù)使用傳統(tǒng)操作系統(tǒng)。

如果將傳統(tǒng)操作系統(tǒng)結合芯片技術發(fā)展，直接集成在底層芯片中，上層操作系統(tǒng)的建設也許會更加貼合新的交互形態(tài)，例如人工智能操作系統(tǒng)、虛擬現實操作系統(tǒng)等，而這些都是目前市場環(huán)境急需的新型系統(tǒng)。

如果我們直接認定傳統(tǒng)桌面和服務器處理器技術應停滯不前，也不客觀。中央處理器(CPU) 還是當前芯片技術的領導者，在傳統(tǒng)計算機模式下，CPU 的制作工藝、架構設計以及硬件性能的挖掘等技術方向仍在不斷推進，但是其生態(tài)模式與蘋果公司推行 SoC 芯片的技術方向差別巨大，傳統(tǒng) CPU 模式很難迅速追趕。

近幾年 NVIDIA 預收購 ARM，AMD 收購 Xilinx，Intel 推出 oneAPI，都是瞄定了異構計算的方向。因為正向前文所說的，新一輪的算力壓縮集成已經開始了，操作系統(tǒng)也必將在這個過程中產生變化，但最終形態(tài)會是怎樣的，現在還并不明朗。

3終端領域的技術變化

我們探討了底層硬件技術的發(fā)展變化，而終端設備層是否也正發(fā)生變化呢?目前市面上主要的終端設備包括傳統(tǒng)計算機(桌面和服務器)、移動設備(平板電腦和智能手機)、智能設備(可穿戴設備、智能家居以及專用領域終端)等。

個人認為，傳統(tǒng)計算機在桌面層的底層架構及技術近 30 年并沒有發(fā)生過實質性的變化，嚴格遵守著馮. 諾依曼計算結構，僅僅從運算、存儲、傳輸方面的性能不斷提升(當然 GPU 技術也許是個新的變化，但不影響核心架構)，操作系統(tǒng)并沒有革命性的創(chuàng)新與改變。

2021 年，時隔六年 Windows 11 正式發(fā)布，采用了全新的界面設計語言，但底層的交互邏輯與功能并未發(fā)生巨大變化，實際上 Windows 多年的更新過程中，核心能力與當年的 Windows 95 相比，除了界面的變化，在本質上沒有任何區(qū)別。而在服務器上命令行應用場景下，Linux 系統(tǒng)的本質變化更是少得可憐，更多的是對硬件的兼容性和包容性的加強，以及對硬件性能及穩(wěn)定性的維護。

在移動端方面，Android 與 iOS 發(fā)布近 15 年來，在操作系統(tǒng)界面、自帶應用方面都有著較多變化，結合智能手機設備引領著全球邁入移動互聯網時代。但在底層技術方面依然延續(xù)著初始架構，Android 是基于 Linux 內核開發(fā)而來，iOS 是基于 Unix，目前根據兩大移動端操作系統(tǒng)的版本迭代來看，已經逐步走向穩(wěn)定維護的階段。

有趣的是在通用終端方面的變化。2021 年，各大操作系統(tǒng)公司都在加強對新終端系統(tǒng)及產品的曝光和披露。蘋果公司進一步認定了 Apple Car 和 Apple Glass 的研發(fā)計劃，并對上市時間有了進一步的透露，2021 年外媒爆料 Apple Car 目標在 2025 年問世，并以全自動駕駛為目標。

在汽車產業(yè) ，自動駕駛集成了人工智能、數據交互、高精度定位、車載終端、多傳感器融合技術等多項技術，對傳統(tǒng)的汽車芯片和操作系統(tǒng)提出了更高的要求。從 操作系統(tǒng)的角度，傳統(tǒng)的經典控制模型正在向感知、融合、決策、控制、執(zhí)行的新型控制模型轉變，傳統(tǒng)的車用操作系統(tǒng)已經無法滿足需求。車控操作系統(tǒng)向智能駕駛操作系統(tǒng)演變，車載操作系統(tǒng)向智能座艙操作系統(tǒng)演變已經成為必然的趨勢。

同為操作系統(tǒng)大廠的微軟除了大力發(fā)展云服務業(yè)務，在新型終端的研發(fā)上絲毫沒有停滯，其混合現實眼鏡 HoloLens 已經發(fā)展至第二代，未來也將與三星聯合開發(fā) AR 眼鏡項目，目前的 HoloLens 已經在科研、醫(yī)療與教育領域有應用實例，這也預示著操作系統(tǒng)公司對未來新型交互的操作系統(tǒng)系統(tǒng)更看好 VR(虛擬現實)、AR(增強現實)亦或是 MR(混合現實)的方向。

在服務器方面，操作系統(tǒng)又發(fā)生了哪些變化呢?

過去，我們擁有一臺服務器就可以開發(fā)出需要的互聯網應用和服務，而且我們確定知道這臺服務器的存放位置。隨著技術的演進，虛擬服務器實例成為了網絡應用開發(fā)者常用的計算單元，單臺服務器已經不能滿足現在的應用環(huán)境，意味著人們不再使用一臺服務器(不管是虛擬的還是物理的)來完成互聯網應用服務的開發(fā)和部署，而是采用分布式集群統(tǒng)一調配使用，這樣每臺服務器上的操作系統(tǒng)(大多數時候是 Linux 系統(tǒng))就變得微乎其微，而成千上萬的應用組件和中間件成為了互聯網開發(fā)者的親密伙伴，這是目前最常見的服務器應用場景。

在這樣的場景下，對集群資源的管理、調配、編排以及監(jiān)控系統(tǒng)整合的平臺系統(tǒng)更像是面向整個數據中心的操作系統(tǒng)，也可以稱之為“云計算操作系統(tǒng)”，人們需要強大的云計算操作系統(tǒng)來解決成百上千臺服務器的管理和使用問題。那么，在服務器終端方向是否會出現一個將數據中心看作一整臺計算機的“云計算操作系統(tǒng)”呢?

云原生技術也許會帶來答案。

云原生技術是一種構建和運行應用程序的方法，它并不代表某一項技術或者系統(tǒng)，但是在這種概念下，非常容易出現新型的操作系統(tǒng)，通過云原生概念中的 DevOps、CI/CD、Serverless 以及 Container 等技術實現一套從開發(fā)、部署、維護到使用都在云端的平臺系統(tǒng)，這非常像我們早期在一臺計算機上的開發(fā)工作模式。而在這些過程中，Kubernetes、Rancher 等容器編排系統(tǒng)發(fā)展迅猛，也許我們很快就將見到面向整個云計算中心的操作系統(tǒng)。

國內環(huán)境的技術變化

我們宏觀的概覽了操作系統(tǒng)因為芯片、終端的變化而帶來的變化。2021 年，國內的環(huán)境也有著不錯的進展，11 月中旬，普華基礎軟件參與的歐拉與龍蜥兩大操作系統(tǒng)開源社區(qū)都先后宣布正式捐贈給開放原子開源基金會，預示著國內的操作系統(tǒng)陣營凝聚力進一步加強，生態(tài)產業(yè)也將迎來合力發(fā)展。

操作系統(tǒng)的開發(fā)是高投入低產出的事業(yè)，需要多年的積累和持續(xù)的投入，這是任何一個商業(yè)機構都無法背負的壓力，在這些執(zhí)著于底層技術的組織和企業(yè)中，麒麟軟件、普華基礎軟件等操作系統(tǒng)發(fā)行企業(yè)都堅持了十數年的時間，在各自擅長的方向上努力突破。普華持續(xù)基于國內主流的 CPU 架構開發(fā)服務器操作系統(tǒng)，已經可以支撐大多數云服務場景。當這些企業(yè)紛紛投入到開源社區(qū)中，共同建設國內的操作系統(tǒng)產品，相信在不遠的將來，中國的 Linux 發(fā)行版操作系統(tǒng)也將在全球領域獲得認可，同時也能更好的支撐國內信息技術發(fā)展，完成數字化經濟建設的底層構建。

4未來前夜：從區(qū)塊鏈到元宇宙，從數字時代到賽博朋克 未來的樣子

2021 年，Facebook 正式更名為 Meta，直指“元宇宙”概念，計劃構建一個與現實緊密相聯的虛擬世界。隨后，“元宇宙”概念在全球甚囂塵上。

技術從來不是一蹴而就的，技術的發(fā)展一直有其必然性和偶然性的特點，聽上去這好像是相悖的，但是我們加上一個時間維度就能很容易的看待這個問題，在長期路線上，互聯網信息技術確實是在不斷模擬構建 1:1 現實世界，我們希望所有的物理操作都趨向于數字化，從而實現自動化提高生產效率，降低生產成本，這幾乎是毋庸置疑的。

而在短期發(fā)展中，我們并不能判斷所憧憬目標場景的哪一部分率先被實現出來引領人們進一步走向未來，也許是觸屏手機讓每個人都能隨時隨地連接網絡、處理信息，也許是機器人按照人們的程序設計自動完成流程化操作，這些都是終極“元宇宙”世界必不可少的部分。

在這樣的場景下操作系統(tǒng)會扮演什么角色呢?如果說整個“元宇宙”就是一個操作系統(tǒng)，也許它的數據是去中心化的，它的算力是區(qū)塊鏈模式的，每一個花草的渲染都來自全世界連接到“元宇宙”的設備亦或是人本身。

未來場景相關的技術

我們抵達未來設想的終極“元宇宙”時代還有一段路要走，在這個過程中，會出現哪些與未來場景相關的技術或操作系統(tǒng)?

大膽預測一下，未來云端的統(tǒng)一資源管理系統(tǒng)(云計算中心操作系統(tǒng))將會成為服務端的解決方案。而在終端 MR 技術下的新型操作系統(tǒng)也將替代個人計算機與智能手機操作系統(tǒng)，當然這需要結合全新的 MR 設備。而在一些專用場景，以 AI 為驅動的操作系統(tǒng)將會逐步替代嵌入式實時操作系統(tǒng)。

在這些方向上芯片技術、AR/VR/MR 技術、云計算 / 云原生相關技術、AI 技術都將迎來巨大的需求，這些技術的發(fā)展也許都會帶來新型操作系統(tǒng)的出現。

5寫在最后：從云到端的操作系統(tǒng)新征程

操作系統(tǒng)發(fā)展數十余年，本身就是一個非常宏大的課題，操作系統(tǒng)的技術革新往往伴隨著新的技術時代而來。我們無意描述某一項具體技術，因為那確實無法代表整個操作系統(tǒng)技術領域，在宏觀角度交流了過去到未來幾年的操作系統(tǒng)發(fā)展變化及可能性，這樣的回顧和暢享對于操作系統(tǒng)領域的參與者來說總是激動人心的。

作者介紹：

董自強，現就職于普華基礎軟件，主管公司整體產品規(guī)劃設計，專注于云端操作系統(tǒng)及國內主流芯片的技術研究和產品分析。曾任多家大型互聯網 / 科技公司的產品總監(jiān)和產品顧問，發(fā)表《云原生數字基礎建設支撐方案》、《普華的云原生構建之路》等主題報告。普華基礎軟件成立于 2008 年，一直致力于國內數字化建設的底層技術研發(fā)，發(fā)展從云到端的操作系統(tǒng)及相關基礎軟件的開發(fā)，包括通用桌面 / 服務器操作系統(tǒng)、云計算資源管理平臺以及汽車領域的實時嵌入式操作系統(tǒng)。

原文標題：漫談操作系統(tǒng)現狀：波瀾不驚的應用環(huán)境與風起云涌的技術狂潮

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審核編輯：湯梓紅