[王垠系列]一种新的操作系统设计

我一直在试图利用程序语言的设计原理,设计一种超越“Unix 哲学”的操作系统。这里是我的设想:

这种系统里面的程序间通信不使用无结构的字符串,而是使用带有类型和结构的数据。在这样的系统里面,Unix 和其它类似操作系统(比如 Windows)里的所谓“应用程序”的概念基本上完全消失。系统由一个个很小的“函数”组成,每个函数都可以调用另外一个函数,通过参数传递数据。每个函数都可以手动或者自动并发执行。用现在的系统术语打个比方,这就像是所有代码都是“库”代码,而不存在独立的“可执行文件”。

由于参数是数据结构而不是字符串,这避免了程序间通信繁琐的编码和解码过程。使得“进程间通信”变得轻而易举。任何函数都可以调用另一个函数来处理特定类型的数据,这使得像 “OLE 嵌入”这样的机制变得极其简单。

所有函数由同一种先进的高级程序语言写成,所以函数间的调用完全不需要“翻译”。不存在 SQL injection 之类由于把程序当成字符串而产生的错误。

由于这种语言不允许应用程序使用“指针运算”,应用程序不可能产生 segfault 一类的错误。为了防止不良用户手动在机器码里面加入指针运算,系统的执行的代码不是完全的机器代码,而必须通过进一步的验证和转换之后才会被硬件执行。这有点像 JVM,但它直接运行在硬件之上,所以必须有一些 JVM 没有的功能,比如把内存里的数据结构自动换出到硬盘上,需要的时候再换进内存。

由于没有指针运算,系统可以直接使用“实地址”模式进行内存管理,从而不再需要现代处理器提供的内存映射机制以及 TLB。内存的管理粒度是数据结构,而不是页面。这使得内存访问和管理效率大幅提高,而且简化了处理器的设计。据 Kent Dybvig 的经验,这样的系统的内存使用效率要比 Unix 类的系统高一个数量级。

系统使用与应用程序相同的高级语言写成,至于“系统调用”,不过是调用另外一个函数。由于只有这些“系统驱动函数”才有对设备的“引用”,又因为系统没有指针运算,所以用户函数不可能绕过系统函数而非法访问硬件。

系统没有 Unix 式的“命令行”,它的“shell”其实就是这种高级语言的 REPL。用户可以在终端用可视化的结构编辑方式输入各种函数调用,从而启动进程的运行。所以你不需要像 Unix 一样另外设计一种毛病语言来“粘接”应用程序。

所有的数据都作为“结构”,保存在一个分布式的数据共享空间。同样的那个系统语言可以被轻松地发送到远程机器,调用远程机器上的库代码,执行任意复杂的查询索引等动作,取回结果。这种方式可以高效的完成数据库的功能,然而却比数据库简单很多。所谓的“查询语言”(比如 SQL,Datalog,Gremlin,Cypher)其实是多此一举,它们远远不如普通的程序语言强大。说是可以让用户“不需要编程,只提出问题”,然而它们所谓的“优化”是非常局限甚至不可能实现的,带来的麻烦远比直接编程还要多。逻辑式编程语言(比如 Prolog)其实跟 SQL 是一样的问题,一旦遇到复杂点的查询就效率低下。所以系统不使用关系式数据库,不需要 SQL,不需要 NoSQL,不需要 Datalog。

由于数据全都是结构化的,所以没有普通操作系统的无结构“文件系统”。数据结构可能通过路径来访问,然而路径不是一个字符串或者字符串模式。系统不使用正则表达式,而是一种类似 NFA 的数据结构,对它们的拆分和组合操作不会出现像字符串那样的问题,比如把 /a/b/ 和 /c/d 串接在一起就变成错误的 /a/b//c/d。

所有的数据在合适的时候被自动同步到磁盘,并且进行容错处理,所以即使在机器掉电的情况,绝大部分的数据和进程能够在电源恢复后继续运行。

程序员和用户几乎完全不需要知道“数据库”或者“文件系统”的存在。程序假设自己拥有无穷大的空间,可以任意的构造数据。根据硬件的能力,一些手动的存盘操作也可能是有必要的。

为了减少数据的移动,系统或者用户可以根据数据的位置,选择: 1)迁移数据,或者 2)迁移处理数据的“进程”。程序员不需要使用 MapReduce,Hadoop 等就能进行大规模并行计算,然而表达能力却比它们强大很多,因为它们全都使用同一种程序语言写成。

我曾经以为我是第一个想到这个做法的人。可是调查之后发现,很多人早就已经做出了类似的系统。Lisp Machine 似乎是其中最接近的一个。Oberon是另外一个。IBM System/38 是类似系统里面最老的一个。最近一些年出现的还有微软的Singularity,另外还有人试图把 JVM 和 Erlang VM 直接放到硬件上执行。

所以这篇文章的标题其实是错的,这不是一种“新的操作系统设计”。它看起来是新的,只不过因为我们现在用的操作系统忘记了它们本该是什么样子。我也不该说它“超越了 Unix 哲学”,而应该说,所谓的 Unix 哲学其实是历史的倒退。

©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 222,252评论 6 516
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 94,886评论 3 399
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 168,814评论 0 361
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 59,869评论 1 299
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 68,888评论 6 398
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 52,475评论 1 312
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 41,010评论 3 422
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 39,924评论 0 277
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 46,469评论 1 319
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 38,552评论 3 342
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 40,680评论 1 353
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 36,362评论 5 351
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 42,037评论 3 335
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 32,519评论 0 25
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 33,621评论 1 274
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 49,099评论 3 378
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 45,691评论 2 361

推荐阅读更多精彩内容