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希望我可以带大家认识一个不同的鸿蒙OS。鸿蒙的发布会什么软总线、什么分布式云里雾里。想理解这些名词，只需要理解微内核即可。 关于微内核，这个东西一直是学界的宠儿，并不是业界的宠儿。以应用为代表的Linux之父从技术的角度狂喷微内核。 www.lupaworld.com 微内核经过好几代发展，发展到seL4，这个L4厉害了。它是人类历史上第一个用形式化证明的操作系统[1]。 简单点说，用数学方法从逻辑的角度证明这个操作系统是 Bug Free的，是没有 Bug的。为什么Linux不可以呢？哈哈，很简单，内核太复杂了。没有办法证明，超出人类能力所及范围。正所谓成也萧何，败也萧何。微内核的简单，成就了它的高安全。但是…… 核心只保留基本的资源管理：处理器的时间、内存、通讯、中断等。所有其他功能统统都扔给应用层管理，以服务的形式去提供功能。服务之间采用IPC通讯，即进程间通讯。对比一下seL4的架构图和Linux的架构图，不难发现，Linux这种宏内核是啥都有，seL4的东西好像都被排在用户空间里。也正因为这个原因，seL4的核心非常小，不到9000行C代码。两种内核各有好处。 seL4系统的架构。 Linux的宏内核架构 对于微内核，由于用MMU（内存管理单元）对进程空间（内存区域）做了隔离保护，没有授权的进程是无法访问其他进程的空间。这就阻止了恶意程序对其他进程数据的窃取。进程是一个操作系统的抽象概念，简单的说：每个进程运行一段用户编写的代码，从这个代码看过去，它好像拥有自己的CPU和所有的一切资源（内存、设备等）。当然我们都知道，这是操作系统给它造成的假象。当进程需要额外的资源时，得向操作系统申请。和别的进程通讯，也得和操作系统申请。哈哈，看起来有点啰嗦，实际上比看起来还啰嗦。但好处是不言而喻的，没权限，你啥都别想干。想干坏事，好！把你的资源全部收回。大家脑补一下，想想用Windows Ctrl+Alt+del，杀掉没有响应的程序。Linux下的Kill -9 了解一下。 微内核连驱动都可能是进程的，也就说，只是内核可以不重启，其他的组件统统可以重启。看得激动人心，但是实际上它可能是最后防线，实践中用不到。系统不可能带着有重启Bug的驱动跑，这不会造成系统崩溃，但用户可不买账。对于写驱动的程序员是个好消息，至少不太容易把内核搞死: -），可反复调试找问题。安全啊！ 在微内核的管理下，用户进程要存储个东西，必须请求内核，内核把数据丢给文件系统的进程处理。因为这个MMU封锁太严格了，早期的办法，只得把数据从用户进程搬到文件系统进程。这个过程非常耗时，不幸的是，还没什么好办法突破MMU的保护。这是导致了微内核性能低下的主要原因。 反观Linux这种内核，如果驱动不好，搞死内核的事情是常有的事。但因为文件系统都在内核里，内核是可以直接访问用户空间的数据的，相对来讲。Linux采用的是系统调用，非IPC的方法，速度较之IPC要快。那Linux下也有IPC，嘿嘿，不幸的是，IPC在Linux下，性能也不咋地。但Linux并不依赖IPC通讯，但微内核依赖。所以，这事给微内核就没处去说理去了。 因为IPC这个脚后跟没有泡过冥河的水，被Linux这种宏内核吊打。怎么办呢？学界一直没有闲着，想了很多办法。L4提出了一个Fast IPC的办法，只要你IPC通讯没数据，可以借用CPU核心寄存器的办法传递消息，速度大大加快。有一个牛人2017年想了dIPC, direct IPC[2]。用标签内存的办法进行隔离，传递数据，无需通过内核空间。大大加快了通讯速度。但标签内存这个玩意，不符合现在计算机体系的架构，实践中，采用的可能性较小。 下面牛人登场，上交的陈海波教授团队，19年想了两个办法进行IPC的加速。一个是XPC[3]，一个是Skybridge[4]。传闻他是华为鸿蒙的核心人物。这两个方法XPC是硬件的，增加了一点点CPU硬件修改，使得IPC通讯无需内核的参与，也无需数据拷贝；Skybridge，采用双内核的办法，一个RootKernel，类似type-1的虚化，专门负责IPC数据通讯，上层的Kernel为微内核。这样IPC绕过了MMU 机制，也不会对微内核之上的MMU保护机制产生破坏。在IPC通讯的时候，无内核参与，无需拷贝。这可不是共享内存的老技术，共享内存访问没有权限约束，会引入Time-Of-Check-To-Time-Of-Use, TOCTTOU 的问题。 我们来看看Android的架构，Android因为采用了非常多的服务，非常依赖于IPC通讯，这不同于普通的应用。为了提高速度，开发了IPC Binder Drivers 来加速 Linux下的IPC通讯。结果呢？效果还是不太满意。我们来看看XPC对Binder IPC的加速。也就是50多倍吧，哈哈。 17年的dIPC也是吊打Linux的 IPC。 SkyBridge应该和dIPC处于同一性能级别，略差。XPC要更高。从论文上看，SkyBridge更实用一些，未来XPC还依赖于硬件的革新。 目前市场上还是宏内核的天下，如Linux、Unix、Windows等，微内核商业上较为有名气的可算是QNX。好在巨头们都看到了微内核的进步，Google搞了Fuchsia OS (内核Zircon)，华为搞了鸿蒙，苹果MAC和IOS也号称微内核，微软搞混合内核。一时间好不热闹。我个人坚信微内核是未来的方向，尤其是华为手握CPU的设计和操作系统的设计，想做个带硬件优化的高性能系统并非难事。此举会引领学界和产业界对微内核的一个小高潮。 微内核因为比较小，不到1万行C代码。只要处理器支持MMU，应该就可以跑出微内核的全特性。服务是可扩展的，依据不同的应用上不同的服务就好，有点像USB热拔插，现在电脑没有光驱、硬盘、打印机等，用USB扩呗。这也决定着，微内核可以在各种场景下见到它的身影。手机，上面弄个Android Binder，堆上相关的库就可以跑Android；服务器，上面弄个Type-2的虚化或者容器，就可以跑各种各样的服务。嵌入式，嗯，当然，体积不是问题，应用更不是问题。 华为这次的发力，真正的用一种操作系统内核统一了大多数应用场景。配上他们自家的开发工具，相信应该是很好用的。对于华为的开源，还有鸿蒙的未来发展。我持乐观态度，毕竟中国市场问题不大。活下来，发展起来只是时间问题。同时，推动微内核的发展，这是一个开启新纪元的大事。 文无第一，武无第二。操作系统领域也是。产业用什么往往并不代表那就是方向，要结合行业支撑发展和行业应用的发展看。紧跟时代潮流，我们错过两次工业革命，难道再错过第三次吗？ 操作系统这个领域，是国人研究的弱项，为什么？ 首先是这个领域是基础领域，已经被研究得太多了，没办法，研究的点很难找。想发一篇像样的论文毕业，太难太难，这也使得很多人不愿意选择这个领域； 其次，操作系统是一个工程性非常强的领域，你说那么多废话有啥用，来写个系统跑跑看？MMU的各种切换，内存的各种管理，各种调度算法，各种虚化……虽然可以用流程图画完，估计没几个能坚持下来，更不用说兑换成相应的代码了。算法不仅要正确，一堆工程细节，实现起来痛不欲生。调试异常困难。需要非常好的抽象和分析能力。 最后，企业们都知道，拿来主意好。早年用uC/OS-II，商业偷着用。后来改用FreeRTOS。做应用的企业都明白，操作系统不是最终产品，花那么多精力在底层上，是吃饱了撑的吗？所以，很少企业投入这块。加之国内的知识付费，软件付费的氛围，导致这块没有利润，就活不下来。 企业没需求，学生毕业没工作；学界需要论文，要成果。大家都不愿意搞这个领域，其结果就是我们在这个领域的落后。 现在，鹅厂搞了一个物联网的OS，与FreeRTOS这种核心类似，主要目的也不是发展操作系统，而是推自家的云平台。阿里也是。不过，至少，这些大企业意识到，这种基础软件的支撑意义。 大家都知道Linux。这个系统大都跑在有MMU的处理器上，(早年有uCLinux，现在Linux也可裁剪跑在无MMU的系统上。不过不是主流。)，物联网就覆盖不到。怎么办？Linux基金会又搞了个 Zephyr，和 Linux 高低搭配，准备统治世界。 但是物联网的应用比手机到服务器的变化还要大，怎么去适配呢？各个公司都拿出自己的本事，。想把世界一口吃下，奈何市场并不买账。这里面有很多原因。但都做出了自己的尝试，取得了一些效果。 微内核是多少年人们对操作系统领域的总结，提炼。大家认识到，浓缩的一定要是精华。把操作系统内核最核心的功能提炼出来以后固定下来，上面的服务，那就一花一世界，一叶一菩提啦。这个好处就是，大家的根是一样的，通用。 Android是跑在Android Binder上的，下面是Linux还是Unix，什么x都不重要，重要的是提供的API的行为是一致的。所以微内核是可以统一大部分软件系统的底层的。理论实践都没啥大问题。 微内核的确有一些性能上的瓶颈，但学界已经在努力，工业界已经开始在破冰。这都是好的迹象。且，像华为这样的企业，自己拥有CPU的设计能力，设计一个微内核的加速硬件模块，并不是难事，可以直接把微内核送上天。反正手机底层是封闭的。其他的领域，比如说车载、军事、服务器，有些地方都是超高可靠性的领域。非微内核不能。 可以看出来，华为真的是用心做事情，有一些大厂搭着仿制内核推自己的云就不说了。 首先选择不选择一个生态，开发者主要还是看当下和未来，自己的投资和产出比是否值得。华为手机市场占有率摆在那里，Android上的应用都能被复用到鸿蒙上，用不用在手机上只是一个核心而已。当然Linux的应用也可以跑在鸿蒙上。参考Linux下的 WINE，可以把windows下的应用程序跑在Linux下。幸亏Windows没开源，开源的话，Linux + WINE 真的扫平家用电脑了。鸿蒙是可以复用其他生态发展自己的。国内缺大旗。当下、未来都没啥大障碍。 其次，好用的工具链，让生态发展起来增色不少。发展生态这个，要学毛主席的抗日统一民族战线，团结可以团结的一切力量。好用的工具链让稍微受过专业训练的人都可以来开发，支持更高级别的语言，不要陷入无谓的工程细节。 最后，华为的管理者们也有意识地去推广鸿蒙，很大的格局去做这个事，撒了很多钱给开发者开发上面的应用。扫除当前的投入产出比障碍，未来投入产出比可期，吸引开发者。 多管齐下，发展不会不好，相信华为领导深谙此道，别问我怎么知道的。人力牛叉的公司，发展一定不差！ [1]Gerwin Klein, Kevin Elphinstone, GernotHeiser, June Andronick, David Cock, Philip Derrin, Dhammika Elkaduwe, KaiEngelhardt, Rafal Kolanski, Michael Norrish, Thomas Sewell, Harvey Tuch, andSimon Winwood. 2009. seL4: formal verification of an OS kernel. In Proceedings of theACM SIGOPS 22nd symposium on Operating systems principles (SOSP'09). ACM, New York, NY, USA, 207-220. DOI: https:///10.1145/1629575.1629596 [2] Lluís Vilanova, Marc Jordà, Nacho Navarro, Yoav Etsion, and MateoValero. 2017. Direct Inter-Process Communication (dIPC): Repurposing the CODOMsArchitecture to Accelerate IPC. In Proceedings of the Twelfth European Conference on ComputerSystems (EuroSys '17). ACM, New York, NY, USA, 16-31. DOI:https:///10.1145/3064176.3064197 [3]Dong Du, Zhichao Hua, Yubin Xia, BinyuZang, and Haibo Chen. 2019. XPC: architectural support for secure andefficient cross process call. In Proceedings of the 46th InternationalSymposium on Computer Architecture (ISCA '19). ACM, New York, NY, USA,671-684. DOI: https:///10.1145/3307650.3322218 [4]Zeyu Mi, Dingji Li,Zihan Yang, Xinran Wang, and Haibo Chen. 2019. SkyBridge: Fast and SecureInter-Process Communication for Microkernels. In Proceedings of theFourteenth EuroSys Conference 2019 (EuroSys '19). ACM, New York, NY, USA,Article 9, 15 pages. DOI: https:///10.1145/3302424.3303946 作者是硬十的嵌入式专家，想与大神一起讨论问题么？ 加微信hw100k，申请加入嵌入式软件群 |
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