操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程和未來展望

Linux作為一種強(qiáng)大的操作系統(tǒng)內(nèi)核，因其穩(wěn)定性、安全性和靈活性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在數(shù)十億臺(tái)設(shè)備和各種各樣的場(chǎng)景中，并擁有強(qiáng)大的開發(fā)者社區(qū)支持。

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的大腦，它和人的大腦一樣，經(jīng)歷了從無到有、從弱到強(qiáng)的演化過程。如今，站在萬物智聯(lián)的時(shí)代浪潮上，操作系統(tǒng)將如何前進(jìn)？

9月1日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)軟件學(xué)院教授、夢(mèng)寧軟件創(chuàng)始人孟寧，做客異步社區(qū)直播間，和大家聊了聊操作系統(tǒng)的前世今生，并帶來了他的新書《庖丁解牛Linux操作系統(tǒng)分析》，本書是他在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)多年來執(zhí)教Linux課程的總結(jié)，對(duì)于操作系統(tǒng)，聽聽他怎么說！

嘉賓簡(jiǎn)介

孟 寧

目前任職于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)軟件學(xué)院，夢(mèng)寧軟件創(chuàng)始人，多年來專注于自主可控某礎(chǔ)系統(tǒng)軟件研發(fā)和教學(xué)。

著作有《代碼中的軟件工程》和《丁解牛Linux操作系統(tǒng)分析》等。其擔(dān)任主講人或講師的“Linux 內(nèi)核分析”慕課課程入選2015 年網(wǎng)易云課堂“頂尖中文大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系”，課程“Linux 操作系統(tǒng)分析”獲得了教育部“國家精品在線開放課程”和“國家級(jí)一流本科課程”認(rèn)定，被中國高校計(jì)算機(jī)教育 MOOC 聯(lián)盟評(píng)為“優(yōu)秀課程”。

孟寧首先表示，要深入理解操作系統(tǒng)，不僅需要學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)原理，還要了解其發(fā)展的歷程。他從封閉式計(jì)算站、分時(shí)系統(tǒng)、多道程序和系統(tǒng)調(diào)用，再到經(jīng)典操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)等發(fā)展階段，依次為大家梳理了操作系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)。

01操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程

在最初的階段，并沒有真正的操作系統(tǒng)存在。IBM 701 開放式計(jì)算站（open shop）是由使用者手動(dòng)操作的，工作效率?分低下。為了減少計(jì)算時(shí)間的浪費(fèi)并使開發(fā)人員從計(jì)算機(jī)房中解放出來，開發(fā)人員被要求在穿孔卡上準(zhǔn)備程序和數(shù)據(jù)，然后提交到計(jì)算中心去執(zhí)行。開放式計(jì)算站由此變成了封閉式計(jì)算站（closed shop），所以封閉式計(jì)算站里的操作員可以被認(rèn)為是最初的操作系統(tǒng)。

批處理(Batch Processing)系統(tǒng)

當(dāng)主計(jì)算機(jī) 7094 執(zhí)行程序的時(shí)候，兩臺(tái)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)同時(shí)做著輸入和輸出的工作。操作員完成了現(xiàn)代操作系統(tǒng)需要做的主要工作，比如決定程序運(yùn)行的順序，也就是任務(wù)調(diào)度。如果想讓你的程序得到優(yōu)先執(zhí)行，就得通過操作員想辦法插隊(duì)。

這種計(jì)算模式就是批處理（batch processing）系統(tǒng)，IBM 7094 所使用的共享操作系統(tǒng)（shared operating system）是早期的批處理系統(tǒng)。

分時(shí)(Time Sharing)系統(tǒng)

然而，批處理費(fèi)時(shí)費(fèi)?，?且給了計(jì)算機(jī)管理員太?的權(quán)?，?客痛恨權(quán)威的傳統(tǒng)，很??部分原因歸咎于計(jì)算機(jī)管理員有權(quán)決定哪個(gè)程序優(yōu)先運(yùn)?。

1962年MIT的Project MAC ?(??智能實(shí)驗(yàn)室的前身)引?了分時(shí)的概念，之前曾被稱為偷時(shí)(Timestealing)，因?yàn)樗??個(gè)程序運(yùn)?中間的空隙執(zhí)?另外?個(gè)程序。同時(shí)電?打字機(jī)、電視機(jī)和?標(biāo)陸續(xù)引?計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為人機(jī)交互設(shè)備，再也不?靠打孔和打印來和計(jì)算機(jī)交互。

多道程序(Multiprogramming)

多道程序技術(shù)改變了操作系統(tǒng)。在大型機(jī)時(shí)代之后，小型機(jī)時(shí)代到來，計(jì)算機(jī)成本降低且硬件功能增強(qiáng)。處理器開始支持程序的并發(fā)執(zhí)?和控制。中斷技術(shù)使得處理器能夠控制多道程序的并發(fā)執(zhí)?，這時(shí)多道程序操作系統(tǒng)開始出現(xiàn)。多道程序操作系統(tǒng)不是一次只運(yùn)行一個(gè)程序，而是將大量程序加載到內(nèi)存中并在它們之間快速切換，從而提高CPU利用率。這種切換非常重要，因?yàn)镮/O訪問速度很慢，CPU在等待輸入數(shù)據(jù)或輸出完成時(shí)會(huì)空閑，快速切換不同的用戶程序可以提高CPU利用率。

系統(tǒng)調(diào)?(System Call)

所以系統(tǒng)調(diào)用的概念誕生了，系統(tǒng)調(diào)用（system call）概念的誕生是操作系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。Atlas Supervisor 是第一個(gè)提出現(xiàn)代操作系統(tǒng)諸多概念的系統(tǒng)，它率先采用了系統(tǒng)調(diào)用的工作機(jī)制。

系統(tǒng)調(diào)?將?戶程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核之間進(jìn)?了隔離，通過添加?些特殊的硬件指 ?令和硬件狀態(tài)讓?戶程序進(jìn)?操作系統(tǒng)的過程更加正式、可控，這樣有效保護(hù)操作 ?系統(tǒng)提供的底層代碼，使得整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，不會(huì)讓?戶程序的錯(cuò)誤造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。系統(tǒng)調(diào)?機(jī)制的采?使得操作系統(tǒng)超越了早期操作系統(tǒng)只是提供?些底層 API 函數(shù) ?庫的狀況，這時(shí)的操作系統(tǒng)超越了 API 庫函數(shù)，因?yàn)橥ㄟ^系統(tǒng)調(diào)?提供了有效的保護(hù)機(jī)制。

隨后，孟寧向大家介紹了一些經(jīng)典的操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)，并分析了未來操作系統(tǒng)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。

經(jīng)典操作系統(tǒng)

分布式操作系統(tǒng)

到今天，操作系統(tǒng)需要面對(duì)的

挑戰(zhàn)主要有這樣幾個(gè)方面：

萬物互聯(lián)的終端多樣性，邊緣計(jì)算、泛在計(jì)算、函數(shù)計(jì)算 …

異構(gòu)算?蓬勃發(fā)展， ?CPU 、NPU 、GPU 、DPU…xPU

軟硬件協(xié)同優(yōu)化越來越重要，以CPU為中?的ISA作為軟硬件的標(biāo)準(zhǔn)界 ?受到挑戰(zhàn)

在PC和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，整個(gè)硬件平臺(tái)是相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的，但是在萬物智聯(lián)的時(shí)代，硬件平臺(tái)不是標(biāo)準(zhǔn)的且差異化非常大，隨著計(jì)算需求的多樣化，異構(gòu)計(jì)算在不同的場(chǎng)景下，不只是終端多樣，算力的需求也是多樣化的。

這時(shí)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)可能會(huì)面臨困境，以CPU為中?的ISA作為軟硬件的標(biāo)準(zhǔn)界?受到挑戰(zhàn)。不管是經(jīng)典操作系統(tǒng)還是分布式操作系統(tǒng)，所管理的資源都是三大類：計(jì)算、I/O和存儲(chǔ)。

02未來，操作系統(tǒng)有哪些可能性？

孟寧用幾個(gè)例子分享了他對(duì)于操作系統(tǒng)未來的展望。

操作系統(tǒng)未來展望

第一個(gè)例子是

Hypervisor OS

Hypervisor OS

原來的操作系統(tǒng)是場(chǎng)景禁錮的操作系統(tǒng)，現(xiàn)在要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)微內(nèi)核的操作系統(tǒng)平臺(tái)，通過組件化適配不同的硬件環(huán)境。在這個(gè)平臺(tái)上，可以組裝出各種類型的操作系統(tǒng)，這是微內(nèi)核架構(gòu)的常見做法。然而，智者千慮，必有一失，孟寧指出，當(dāng)出現(xiàn)新的情況或需求變更時(shí)，我們?cè)谲浖こ躺闲枰牟皇欠€(wěn)定性，而是不斷的迭代和重構(gòu)。

另一種思路是

平衡高效、安全、易用的

全系統(tǒng)可編程技術(shù)

我們現(xiàn)在需要的是能夠跨物聯(lián)網(wǎng)終端的技術(shù)，大到汽車，小到手機(jī)、手環(huán)等等，目前最常用的兩種實(shí)現(xiàn)技術(shù)分別是當(dāng)前非?；鸨目梢栽趦?nèi)核中注入的eBPF和擁有很好的跨平臺(tái)特性的WEBASSEBLY。

云原生落地困難重重

云原生主要集中在微服務(wù)架構(gòu)和云端來支撐環(huán)境的部署。Kubernetes解決了應(yīng)?編排和調(diào)度?動(dòng)化問題，但是使?Kubernetes不僅要改變開發(fā)習(xí)慣，還要學(xué)習(xí)很多新概念新技術(shù)。云原?落地的難點(diǎn)在于使?，將云原?底層的復(fù)雜技術(shù)包裝成應(yīng)?開發(fā)者熟悉的應(yīng)?層概念?關(guān)重要，基于FaaS的應(yīng)?層編程框架可能是?個(gè)有前景的演化?向。

云原生技術(shù)涉及到的復(fù)雜環(huán)境決定了想要掌握它就要面臨更高的挑戰(zhàn)。

“The farther back you can look, the farther forward you are likely to see. ”

—— by Winston Churchill

你能看到多遠(yuǎn)的過去，就能看到多遠(yuǎn)的未來！

——溫斯頓 丘吉爾

可以做哪些嘗試？

選擇Wasm字節(jié)碼

選擇的原因：

執(zhí)?速度可以達(dá)到原?C代碼的92.79%；

冷啟動(dòng)性能僅毫秒級(jí)，僅1ms左右；

主流的各種?級(jí)語?都可以編譯成Wasm字節(jié)碼，在開發(fā)者?態(tài)上更有包容性；

安全性和模塊化能?。

選擇了Wasm之后，需要面臨的問題是我們需要在不同的泛在環(huán)境下提供應(yīng)用開發(fā)框架，要給這個(gè)應(yīng)用開發(fā)框架提供工具集成開發(fā)環(huán)境。

基于Wasm的跨平臺(tái)應(yīng)?開發(fā)框架

孟寧提到他們正在開發(fā)一個(gè)基于WebAssembly的Faas高效資源管理平臺(tái)，使用Kuasar提供Wasm沙盒管理，在Kubernetes之上構(gòu)建的基于WebAssemblv的Faas無服務(wù)計(jì)算平臺(tái)。使用Wasm替代OCI容器解決函數(shù)冷啟動(dòng)問題，實(shí)現(xiàn)不需預(yù)熱環(huán)境，按需加載和部署函數(shù)，使用Kuasar降低Containerd的Pod沙盒開銷，提高冷啟動(dòng)性能，使用WasmEdge SDK定制化運(yùn)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)Wasm的HTTP函數(shù)式啟動(dòng)和函數(shù)級(jí)的資源限制，以及資源消耗的監(jiān)控統(tǒng)計(jì)與管理。

直播最后，孟寧強(qiáng)調(diào)了當(dāng)前硬件環(huán)境的復(fù)雜性和重要性。他指出，過去我們所管理的硬件環(huán)境相對(duì)比較標(biāo)準(zhǔn)，但是現(xiàn)在的情況已經(jīng)不再如此?，F(xiàn)代硬件產(chǎn)品具有多樣性和復(fù)雜性，一個(gè)產(chǎn)品的需求決定了我們需要開發(fā)什么樣的產(chǎn)品。為了滿足這些需求，我們需要從不同的角度進(jìn)行分解，深入理解產(chǎn)品的需求和功能。

孟寧老師的講解全面而簡(jiǎn)潔，相信廣大讀者和用戶聽完這一課都能加深對(duì)操作系統(tǒng)的了解，也能更好地理解操作系統(tǒng)的本質(zhì)和精髓，同時(shí)對(duì)操作系統(tǒng)的未來發(fā)展有了更加清晰的認(rèn)知。

審核編輯：湯梓紅