轉(zhuǎn)載：FCS Perspective | 上海交通大學(xué)陳海波教授團(tuán)隊(duì)——元OS：面向萬(wàn)物智聯(lián)時(shí)代的操作系統(tǒng)

導(dǎo)讀

本期FCS Perspective欄目，特邀上海交通大學(xué)陳海波教授的觀點(diǎn)分享——Embracing connected intelligence with the YuanOS architecture: one OS kit for all。該文發(fā)表在Frontiers of Computer Science期刊2024年第1期（了解原文詳情請(qǐng)點(diǎn)擊左下方“閱讀原文”）。為幫助讀者更精準(zhǔn)地理解這篇文章，F(xiàn)CS特別邀請(qǐng)本文作者，對(duì)該文進(jìn)行了翻譯，以饗讀者。

作

者

簡(jiǎn)

介

陳海波，上海交通大學(xué)特聘教授、并行與分布式系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)，領(lǐng)域操作系統(tǒng)教育部工程研究中心主任。國(guó)家杰出青年基金獲得者、IEEE Fellow、ACM杰出科學(xué)家，曾獲陳嘉庚青年科學(xué)獎(jiǎng)（信息技術(shù)科學(xué)）、中國(guó)青年科技獎(jiǎng)等。曾任ACM SIGOPS ChinaSys主席、ACM SOSP 2017年大會(huì)聯(lián)席主席等。他也是OpenHarmony技術(shù)指導(dǎo)委員會(huì)創(chuàng)始主席。

Frontiers of Computer Science,2024, 18(1): 181107

https://doi.org/10.1007/s11704-023-3997-5

元OS：面向萬(wàn)物智聯(lián)時(shí)代的操作系統(tǒng)

01

背景

操作系統(tǒng)需要為應(yīng)用程序提供合適的硬件抽象與執(zhí)行環(huán)境，因此是當(dāng)今IT行業(yè)不可或缺的“基礎(chǔ)設(shè)施”。自操作系統(tǒng)在1956年首次問(wèn)世以來(lái)，其已經(jīng)經(jīng)歷了三個(gè)主要的演變階段，分別為大型機(jī)時(shí)代、PC主導(dǎo)的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，以及智能手機(jī)主導(dǎo)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。隨著設(shè)備智能化程度的提升（如智能穿戴、智能家居、智能車(chē)），以及跨設(shè)備的通訊協(xié)同需求日益增長(zhǎng)，我們將迎來(lái)萬(wàn)物智聯(lián)的新時(shí)代。新時(shí)代呼喚新型操作系統(tǒng)以滿足萬(wàn)物智聯(lián)的新特征與新需求。萬(wàn)物智聯(lián)時(shí)代具有以下幾點(diǎn)特征：

設(shè)備多樣化、交互沉浸化：萬(wàn)物智聯(lián)時(shí)代，智慧互聯(lián)的設(shè)備數(shù)量預(yù)計(jì)可達(dá)數(shù)十億之多，且采用更為沉浸的交互方式，如語(yǔ)音、手勢(shì)、乃至視線跟蹤。

以場(chǎng)景為中心：萬(wàn)物智聯(lián)時(shí)代，用戶更關(guān)心以場(chǎng)景為中心的體驗(yàn)，而非單一設(shè)備的體驗(yàn)。

以軟硬件生態(tài)為導(dǎo)向：萬(wàn)物智聯(lián)時(shí)代，由于智能設(shè)備數(shù)量龐大，需要共同合作形成一個(gè)更加統(tǒng)一的軟硬件生態(tài)。

這些特征為操作系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)?！袄ハx(chóng)綱悖論”是東京大學(xué)的坂村?。↘en Sakamura）教授在分析了個(gè)性化與通用型之間的矛盾后提出的一個(gè)形象比喻，在這里用于解釋操作系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)也十分合適。該理論指出地球上大約有5,000種哺乳動(dòng)物（正如萬(wàn)物智聯(lián)時(shí)代的智能手機(jī)、PC和服務(wù)器），而昆蟲(chóng)的種類(lèi)數(shù)超一百萬(wàn)（正如萬(wàn)物智聯(lián)時(shí)代的AIoT設(shè)備）。如果我們只看數(shù)量，昆蟲(chóng)本應(yīng)主宰我們的星球。而為什么昆蟲(chóng)沒(méi)有主宰世界呢？這是因?yàn)椴溉閯?dòng)物可以更緊密的合作，正如手機(jī)與PC能夠更好的協(xié)同。而AIoT設(shè)備雖數(shù)量眾多，卻無(wú)法高效協(xié)作。究其本質(zhì)是由于這些設(shè)備具有完全不同的硬件特征（如指令集、硬件資源），以及完全不同需求（如功能、性能、安全性等），這為應(yīng)用開(kāi)發(fā)和維護(hù)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。因此，萬(wàn)物智聯(lián)亟需新型操作系統(tǒng)這一基礎(chǔ)設(shè)施提供統(tǒng)一的生態(tài)底座，為智能設(shè)備互聯(lián)互通打下堅(jiān)實(shí)根基。

02

觀點(diǎn)：元OS架構(gòu)

為此，我們提出了元OS架構(gòu)。為了給不同場(chǎng)景、設(shè)備提供統(tǒng)一的生態(tài)底座，歷史上曾經(jīng)有過(guò)幾次失敗的嘗試，他們?cè)噲D使用單一操作系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)所有的場(chǎng)景，比如Workplace OS。這種過(guò)于”一刀切“的方案被證明面臨諸多挑戰(zhàn)，乃至于無(wú)法持續(xù)。因此，元OS架構(gòu)嘗試以一種更加”寬松“的方式解決生態(tài)碎片化的問(wèn)題。元OS并非提供一個(gè)單一的操作系統(tǒng)，而是嘗試提出一個(gè)統(tǒng)一的架構(gòu)。該架構(gòu)包含一系列操作系統(tǒng)組件，而這些組件可以靈活地組裝在一起，從而形成一個(gè)滿足特定場(chǎng)景需求的操作系統(tǒng)（如圖1）。元OS的核心理念是“One OS Kit For All”。

圖1：元OS架構(gòu)

元OS架構(gòu)雖抽象上十分簡(jiǎn)潔，但其面臨一系列挑戰(zhàn)：

狀態(tài)共享：操作系統(tǒng)組件化實(shí)質(zhì)上只是將代碼解耦，但分布在不同組件之間的狀態(tài)（State）依然需要共享以相互協(xié)同。我們目前通過(guò)明確地將狀態(tài)劃分到不同組件，并檢查不同組件之間共享的狀態(tài)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

性能問(wèn)題：組件解耦會(huì)造成跨組件調(diào)用以及狀態(tài)共享的性能開(kāi)銷(xiāo)。我們提出了一種“開(kāi)發(fā)時(shí)解耦，運(yùn)行時(shí)聚合“的技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。使得組裝后的組件可以在緊耦合的方式下運(yùn)行，無(wú)需額外的機(jī)制如IPC，但同時(shí)仍然保證了隔離性與安全性。

維護(hù)問(wèn)題：操作系統(tǒng)組件將不斷演進(jìn)，這可能導(dǎo)致組件間接口發(fā)生改變，最終無(wú)法組裝。我們通過(guò)統(tǒng)一控制組件間API的定義及升級(jí)，并提供檢查工具來(lái)解決。

03

元OS的實(shí)踐：OpenHarmony

OpenHarmony是為萬(wàn)物智聯(lián)時(shí)代設(shè)計(jì)的開(kāi)源操作系統(tǒng)。OpenHarmony踐行了元OS的設(shè)計(jì)理念，因此它可以靈活運(yùn)用在各種場(chǎng)景、各種智能設(shè)備，為萬(wàn)物智聯(lián)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。OpenHarmony提供了一個(gè)開(kāi)源的、統(tǒng)一的生態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)共贏合作。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，OpenHarmony具有以下架構(gòu)特征。

分離架構(gòu)、彈性部署。OpenHarmony為多樣化的智能設(shè)備提供了組件化且彈性的架構(gòu)。

無(wú)縫流轉(zhuǎn)、智能協(xié)同。OpenHarmony實(shí)現(xiàn)了跨設(shè)備的無(wú)縫流轉(zhuǎn)以及跨場(chǎng)景的無(wú)縫協(xié)同。

簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)、一致體驗(yàn)。OpenHarmony實(shí)現(xiàn)了一端開(kāi)發(fā)、多端部署，且保證用戶體驗(yàn)一致。

OpenHarmony可以運(yùn)行在海量智能硬件上，為開(kāi)發(fā)者提供了更多的選擇和靈活性，實(shí)現(xiàn)了元OS架構(gòu)的目標(biāo)。OpenHarmony已經(jīng)成為增長(zhǎng)最快的開(kāi)源智能設(shè)備操作系統(tǒng)社區(qū)，并在Gitee指數(shù)中一直保持第一的位置。此外，OpenHarmony已應(yīng)用于350多種商業(yè)產(chǎn)品中，并適配了54種芯片，涵蓋了包括能源、航空航天、工業(yè)、金融、交通、醫(yī)療和教育在內(nèi)的廣泛領(lǐng)域。

04

結(jié)論

在萬(wàn)物智聯(lián)的時(shí)代，我們相信元OS架構(gòu)可以解決“昆蟲(chóng)綱悖論”問(wèn)題，使得海量智能設(shè)備互聯(lián)互通、無(wú)縫協(xié)作。元OS仍然存在一系列挑戰(zhàn)，比如狀態(tài)共享、提供更好的性能和安全性，以及增強(qiáng)組件分開(kāi)演進(jìn)的能力。我們提供了初步的解決方案。我們希望與社區(qū)共同努力，以更系統(tǒng)的方式解決這些問(wèn)題。

審核編輯 黃宇