幺內(nèi)核：取消隔離

在軟件工程中，反模式（anti-pattern）指的是一些重復(fù)出現(xiàn)的激蹲、乍一看是有益的扫沼，但最終得不償失的模式。過去缤剧，這個詞僅僅用于形容那些在 Java 這樣的語言中濫用設(shè)計模式馅袁，導(dǎo)致無效代碼膨脹的現(xiàn)象。但隨著時間的流逝荒辕，很多原本我們認(rèn)為是理所當(dāng)然的事汗销，正在成為阻礙我們前進(jìn)的障礙。

傳統(tǒng)上抵窒，我們把操作系統(tǒng)定義為計算機軟硬件之間的橋梁弛针，負(fù)責(zé)操作和分配計算機硬件資源，并調(diào)度用戶計算任務(wù)估脆，為用戶提供服務(wù)钦奋。從計算機這種機器誕生之初，在過去的五疙赠、六十年里付材，符合此種定義的操作系統(tǒng)不斷進(jìn)步，目前仍在幾乎所有的計算機上運行圃阳。但最近的十年里厌衔，事情正在發(fā)生變化。云技術(shù)的進(jìn)步使得許多個人用戶分享同一臺計算機的需求飛速發(fā)展捍岳。所有隨之而來的隔離性富寿、擴展性、移植性锣夹，以及快速啟動和遷移页徐，以及故障時快速恢復(fù)的需求，傳統(tǒng)操作系統(tǒng)已無力承擔(dān)银萍，各種虛擬化軟件隨之而來变勇。

內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)的隔離保證了操作系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，但也使得用戶態(tài)享受內(nèi)核服務(wù)需要通過中斷與系統(tǒng)調(diào)用贴唇，開銷比調(diào)用相同功能的函數(shù)大很多搀绣。但在虛擬機中，虛擬機監(jiān)視程序（Hypervisor）必然需要也已經(jīng)提供了更強的的安全保護(hù)戳气，操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間隔離的重要性就變低了链患，為了這次隔離而付出的性能代價也開始變得越來越不可接受。

具體來說瓶您，隔離體現(xiàn)在特權(quán)級的隔離和地址空間的隔離麻捻。在應(yīng)用程序的視角纲仍，系統(tǒng)調(diào)用（System Call）和函數(shù)調(diào)用（Function Call）并沒有什么不同，甚至如今大部分高級語言中 POSIX 系統(tǒng)調(diào)用都是通過 libc 庫提供的函數(shù)調(diào)用封裝完成的贸毕。但系統(tǒng)調(diào)用的開銷大得多巷折，因為特權(quán)級的切換和地址空間的切換不止需要額外的操作，而且破壞了所有局部性崖咨，造成了各種緩存不命中損失。傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的核心技術(shù)油吭，現(xiàn)在成為反模式了击蹲。

于是我們發(fā)明了庫操作系統(tǒng)（Libary OS），去除操作系統(tǒng)的隔離性婉宰，讓操作系統(tǒng)退化成類似 libc 的庫歌豺，通過函數(shù)調(diào)用給應(yīng)用程序提供服務(wù)。現(xiàn)在心包，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運行在同一個特權(quán)級类咧、同一個地址空間了，由于運行在同一個地址空間蟹腾，操作系統(tǒng)現(xiàn)在只能服務(wù)一個傳統(tǒng)的獨占地址空間的應(yīng)用程序進(jìn)程痕惋。這樣的操作系統(tǒng)內(nèi)核，被稱為?Unikernel娃殖。類比于宏內(nèi)核（Monolithic kernel）值戳、微內(nèi)核（Microkernel），可稱為幺內(nèi)核炉爆。

下表對比了幾類內(nèi)核的特點：

Unikraft：快速專用化

進(jìn)程調(diào)度和地址空間管理是傳統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)核中的內(nèi)核堕虹，是一個操作系統(tǒng)實現(xiàn)最重要的部分，然而幺內(nèi)核要摒棄的正是這些芬首。這樣做實際上不僅解開了應(yīng)用程序的性能瓶頸赴捞，也解開了內(nèi)核本身的束縛。如果內(nèi)核一次啟動只服務(wù)一個應(yīng)用程序進(jìn)程郁稍，也不必費心去折騰特權(quán)級和地址空間了赦政，能不能針對這個應(yīng)用程序來定制一個最適用的內(nèi)核呢（外核 Exokernel?的思想）？

外核概念早已有之艺晴，之所以沒有形成主流昼钻，是因為為每個應(yīng)用程序定制內(nèi)核實際上等于沒有內(nèi)核、應(yīng)用程序直接運行在裸機上封寞。只有極特殊的場景才有這樣做的價值（比如航天）然评，對于大部分應(yīng)用程序來說這在工程上是不現(xiàn)實的。但在幺內(nèi)核的發(fā)展背景下狈究，由于操作系統(tǒng)內(nèi)核的極大簡化碗淌，又變?yōu)榭赡艿牧恕?/p>

Unikraft 項目?正是利用現(xiàn)代軟件工程理論實現(xiàn)高度定制化的幺內(nèi)核的一次嘗試。利用清晰的模塊化，Unikraft 可以通過組合子庫（稱為微庫 micro-library）實現(xiàn)定制幺內(nèi)核庫亿眠，然后再應(yīng)用程序直接鏈接在一起（甚至能實現(xiàn)內(nèi)核和應(yīng)用程序的鏈接時優(yōu)化碎罚，對于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)是無法想象的），最后直接在裸機或虛擬機中運行纳像。

Rust：Rewrite Everything

Unikraft 是用 C 實現(xiàn)的荆烈，不可避免地遇到了 C 工程性差的問題：大量使用宏和條件編譯等類型不安全、非結(jié)構(gòu)化的工程手段竟趾、難以復(fù)用已有的領(lǐng)域代碼憔购，尤其是驅(qū)動。

用 Rust 重寫所有那些傳統(tǒng)上用 C 語言完成的工作岔帽，早已成為一種潮流玫鸟。低開銷的安全性帶來了一系列直接的安全好處——根據(jù)已有的研究，預(yù)計 ? 的由不安全語言的底層編程習(xí)慣引起的漏洞可以通過僅使用安全語言來消除犀勒，如果這個語言和原本一樣快屎飘，就沒有顧慮了。而且 Rust 還有優(yōu)雅的模塊管理和庫分發(fā)能力以及方便的交叉編譯工具鏈贾费。如果用 Rust 重寫基于 Unikraft 思想的幺內(nèi)核钦购，必然能帶來巨大的優(yōu)勢。

如何實現(xiàn)褂萧？

構(gòu)造一個幺內(nèi)核系統(tǒng)肮雨，本質(zhì)并不是怎么實現(xiàn)系統(tǒng)組件。畢竟軟件一旦碰到硬件就只能跟著硬件走箱玷，實際上完全是身不由己的怨规，在不考慮軟硬協(xié)同設(shè)計的情況下實際上根本不需要設(shè)計。幺內(nèi)核的重點是如何修改應(yīng)用程序才能適應(yīng)這個內(nèi)核锡足。畢竟波丰，為了達(dá)成高性能，應(yīng)用程序和內(nèi)核的交互方式已經(jīng)變了舶得，不再有跨特權(quán)級的系統(tǒng)調(diào)用掰烟。所以首先必須修改 libc 庫，把系統(tǒng)調(diào)用替換成函數(shù)調(diào)用沐批。

接下來纫骑，需要制造一個鏈接方式，將應(yīng)用程序和庫操作系統(tǒng)鏈接成一個可執(zhí)行文件九孩。引導(dǎo)加載程序引導(dǎo)內(nèi)核的方式是固定的先馆，因此這個可執(zhí)行文件必須能被正常的引導(dǎo)流程引導(dǎo)。同時要能以上一步修改過的 libc 要求的方式加載應(yīng)用程序躺彬。如果只修改了系統(tǒng)調(diào)用方式的話煤墙，這基本上意味著用戶會與內(nèi)核地址空間沖突梅惯，因此內(nèi)核必須開啟虛地址空間，只不過從頭到尾只需要這一個虛地址空間而已仿野。

能編譯出可執(zhí)行文件铣减、啟動并加載應(yīng)用程序，下一步才是真正的幺內(nèi)核服務(wù)應(yīng)用程序脚作。這時需要考慮的就是內(nèi)核模塊的解耦合和裝配葫哗。內(nèi)核必須可以方便地插拔模塊，以盡量匹配應(yīng)用程序的需求球涛。這需要一個強大的構(gòu)建系統(tǒng)魄梯，它理解各個內(nèi)核模塊之間的依賴關(guān)系，能夠從需求推導(dǎo)出最小的內(nèi)核模塊集合宾符。另外還依賴對應(yīng)用程序的分析。雖然一般不需要修改應(yīng)用程序源碼灭翔，但應(yīng)用程序必須自述需求魏烫，才能讓構(gòu)建系統(tǒng)完成推導(dǎo)。

課程內(nèi)容

1肝箱、操作系統(tǒng)的定制化和模塊組合

2哄褒、unikernel：定制化的上限，模塊化的下限

3煌张、課程內(nèi)容

1）unikraft：unikernel+自動定制

2）忒修斯：語言內(nèi)隔離性

3）rust：分配器呐赡、解析器和驅(qū)動 crate

4）rcore-os 實踐

4.1）zCore

4.2）rCore

4.3）trapframe

4.4）buddy_system_allocator

4.5）rCore-Tutorial-in-single-workspace

4、課時分配

1）導(dǎo)論：unikraft 試用和論文解讀

2）unikraft libc 庫（nolibc musl-libc）

3）unikraft 模塊解讀

4）忒修斯論文解讀

5）zCore 和庫

5.1）zCore 的架構(gòu)：粗粒度模塊

5.2）trapsframe 庫

5.3）buddy_system_allocator 庫

5.4）naive-timer 庫

5.5）rCore 的內(nèi)存分配模塊

6）rCore-Tutorial-in-single-workspace

課程任務(wù)

1骏融、實現(xiàn)一個 RISC-V 上的 libos 或 unikernel

1）libos 定義為內(nèi)核和應(yīng)用程序位于同一個特權(quán)級链嘀；

2）unikernel 定義為內(nèi)核只能運行一個應(yīng)用程序，必須體現(xiàn)內(nèi)核對應(yīng)用程序的定制化適應(yīng)档玻，可以修改應(yīng)用程 序怀泊；

2、分析并設(shè)計或修改一個 Rust lib crate 完成內(nèi)核部分功能

1）必須描述 crate 的適用范圍误趴；

2）crate 必須在至少一個內(nèi)核中能使用霹琼，可以是現(xiàn)有的也可以是新寫的；