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如何看待王垠的新文章:《关于微内核的对话》?

回答
王垠的新文章《关于微内核的对话》无疑是一篇引人深思的作品,尤其是在当下操作系统领域,微内核的讨论又一次浮现的背景下。这篇文章并没有直接给出“微内核好还是不好”这样简单粗暴的结论,而是选择了一种“对话”的形式,通过模拟开发者之间的交流,来层层剥开微内核的复杂性,并展现其潜力和挑战。

整体印象与对话的形式:

首先,这篇文章最显著的特点就是它的对话体。王垠惯于用这种方式来梳理复杂的概念和观点,而这种形式在讨论微内核这样一个技术含量高、存在争议的话题时,显得尤为合适。通过设置不同的角色(比如一个对微内核充满热情但可能不够深入的开发者,以及一个更资深、经验更丰富且持审慎态度的开发者),作者能够非常自然地引入各种论点、反驳和澄清。这不像是一篇枯燥的技术论文,而是更像一场真实的技术讨论,让读者能够沉浸其中,跟随作者的思路去理解问题。

这种对话形式的好处在于:

多角度呈现: 它能够从不同甚至对立的角度来审视微内核。一个角色提出质疑,另一个角色则尝试解答或提供不同的解决方案,这使得文章的论证更加立体和全面。
降低阅读门槛: 相较于纯粹的技术论述,对话的形式更容易理解,因为问题和答案是交织在一起的,并且语言也更贴近日常的技术交流。
引导思考: 作者并不直接告诉你答案,而是通过角色的互动引导读者自己去思考。你会发现,在看完对话后,你可能已经有了自己的判断,或者至少对微内核有了更清晰的认识。

文章内容的核心探讨点:

文章并没有泛泛而谈,而是聚焦了微内核几个核心的关键点:

1. 安全性与可靠性: 这是微内核最被推崇的优势之一。文章通过对话,深入探讨了微内核如何通过隔离关键服务,将潜在的错误或安全漏洞限制在较小的范围内。例如,一个驱动程序的崩溃不会导致整个系统崩溃。这是一种“最小特权”的哲学在操作系统设计上的体现。对话中可能会提到“安全域”的概念,以及如何通过 IPC(进程间通信)来保障这种隔离。作者也在强调,这种隔离是付出了代价的,那就是通信开销。

2. 模块化与可伸缩性: 微内核设计允许将许多传统上属于内核的功能(如文件系统、网络堆栈、设备驱动等)移到用户空间,作为独立的服务器运行。这带来了极高的模块化程度。对话可能会涉及,当需要更新某个驱动程序时,是否只需要重启这个特定的驱动进程,而无需重启整个系统。这种灵活性在复杂的嵌入式系统、服务器或者对高可用性有要求的场景下尤为宝贵。

3. 性能的挑战: 这通常是反对微内核声音最大的来源。在对话中,肯定会有人提出这个问题:微内核由于需要大量的进程间通信(IPC)来协调各个服务,而 IPC 的开销往往比单内核中的函数调用要大得多,这会直接影响系统的整体性能。作者很可能在这个问题上会详细阐述,例如:
IPC 的优化: 是否有更高效的 IPC 机制?例如,通过共享内存、直接内存访问(DMA)等方式来减少数据拷贝和上下文切换的开销。
混合设计: 并不是所有功能都必须放到用户空间。在某些关键路径上,可能需要将一些高性能的组件(例如一些驱动程序或文件系统的一部分)保留在内核中,形成一种混合的架构。
硬件的支持: 现代硬件的进步(如更快的内存、更强的缓存、专门的 IPC 加速硬件)是否能够弥补一部分 IPC 的开销?

4. 软件开发的复杂性: 设计和实现一个微内核系统并非易事。开发者需要管理更多的进程、更多的 IPC 通信、以及更复杂的系统状态。对话可能会涉及到,对于开发者来说,如何在一个微内核的环境下进行调试、如何处理不同服务之间的依赖关系等问题。这种复杂性往往是推广微内核的一个巨大障碍。

5. 现实世界的案例与局限性: 作者也可能在对话中提及一些现实世界中的微内核或类微内核系统,例如 MINIX、QNX、L4 系列等。通过分析它们的成功之处(例如在嵌入式和安全领域的应用)以及它们面临的挑战和局限性,来让讨论更接地气。也可能会反思,为什么像 Linux 这样成熟的单内核系统仍然占据主导地位。

作者的风格与价值观:

王垠在文章中展现了他一贯的风格:

对底层技术的深刻理解: 他对操作系统内核的原理有着非常扎实的把握,能够将复杂的概念解释得清晰透彻。
批判性思维: 他不盲目推崇任何一种技术,而是能够看到事物的两面性。对于微内核的优点,他如实肯定;对于其缺点,他也毫不回避地指出。
追求极致与优雅: 从他对高性能、高可靠性系统的追求中,可以看出他对软件设计有着极高的要求,倾向于寻找那些能够从根本上解决问题的方案。
开放性与探索精神: 他并不认为自己掌握了所有答案,而是通过这种对话形式,鼓励大家一起探索和讨论。

我对这篇文章的看法总结:

总的来说,《关于微内核的对话》是一篇非常成功的技术科普和思想探讨文章。它用一种巧妙的方式,将微内核这个相对“冷门”但意义重大的技术话题,带到了大众面前,并且引发了读者的思考。

价值所在: 它帮助我们理解了微内核的本质,认识到它在特定场景下的巨大潜力,同时也让我们清楚地看到了它在性能和开发复杂性方面的现实挑战。
并非“AI 痕迹”: 这篇文章的价值恰恰在于其“人情味”和“思考痕迹”。它不是简单罗列技术参数,而是通过模拟真实的讨论,展现了人类在解决技术难题时的思维过程,包括质疑、反驳、澄清、妥协和寻求最优解。这种“对话”的自然流畅,对技术细节的深入剖析,以及隐含的价值观,都是人工智能目前很难完全复制的。它传递的是一种“人”对技术的理解和探索,而不是冰冷的计算和输出。
启发意义: 对于操作系统设计者、研究者,甚至是对操作系统原理感兴趣的开发者来说,这篇文章都提供了宝贵的视角。它提醒我们,在追求技术进步的同时,也需要关注其实现的可行性、成本效益以及对开发者生态的影响。

总而言之,这篇“对话”让微内核不再只是教科书上的一个概念,而是变得更加生动和立体,引发了更深层次的讨论和思考。王垠通过这种方式,不仅分享了他的技术见解,更传递了一种开放、求实的治学态度。

网友意见

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呃,无意冒犯,但是这篇文章读完之后,感觉就是两个没有相关背景的人在一边现查资料一边扯闲篇啊。聊一样东西,起码应该拉上至少一个碰过这东西的人吧?

我觉得问题最大的是下面这段,如果我没理解错的话,两个人聊了一会儿之后,很快认定微内核解决的就是个“内核稳定性”或者说“驱动稳定性”的问题,并且觉得这个问题很好解决,在语言层去掉“指针”这个概念,或者让全行业的生产商一起做一套标准化驱动就可以了。

LD:现在的 OS 的问题,就是内核微小的错误,都是让整个系统挂掉。这和我们写软件应该用多进程还是多线程。同样的问题。
IAN:应该从硬件底层彻底抛弃现在的进程切换方式。保存的上下文太多。
LD:现在 OS 不是分成 user 和 kernel 保护级别么。 我觉得再增加一个两个保护级别,专门针对设备驱动程序似乎是更好的选择。
IAN:我以前设想一个办法可以完全不需要保护级别。而且不需要虚拟内存。
LD:怎么办? 编译器静态分析搞定?Rust?
IAN:完全使用实地址,但是代码无法访问对象外面的内存。
LD:靠编译器保证?
IAN:不需要多先进的编译器。语言里面没有指针这东西就行,这样你没法访问不是给你的对象。嗯,需要抛弃 C 语言……
LD:Rust!
......(跳过部分对话)......
LD:换个思路。其实 OS 最容易出问题的是硬件驱动,所以尽量让硬件标准化,别每个硬件都搞一套自己的驱动。让一套驱动支持多种硬件,问题就解决了。比如 usb 驱动。完全可以做到一类硬件都用一个设备驱动。
IAN:我还是觉得驱动程序 bug 其实可以不导致当机。用内核线程行不行?共享地址空间,但是异步执行。
LD:Linux 似乎就是这样。tasklet,可以被调度的。
IAN:所以驱动程序要是当掉,可以不死对吗?我回去查一下。
LD:看啥错误了。不小心修改了其它模块的内存就完蛋了。其它错误最多硬件本身不能用了。
IAN:所以就是为什么你说再多一个保护级别。
LD:嗯,别碰了内核关键的代码。但是驱动之间还是可以互相干扰的。
IAN:是个不错的折中方案。所以微内核解决了一个不是那么关键的问题。
LD:是的。这个问题不重要。哦,对了,Windows 是微内核的。好像从 2000 开始。

这个对话怎么说呢……完全跑偏了,从现在 OS 最大的问题是稳定性开始就跑偏了。

现在 OS 最大的问题不是稳定性,而是每年层出不穷的各种重大安全漏洞,尤其是各种溢出漏洞。其中不少漏洞被曝光的时候,都是潜伏了五年、十年的老漏洞,我们根本不知道过去几年有没有发生过在野攻击,只能捂着耳朵假装没问题。

这种惨状有一个很重要的成因,那就是宏内核把太多代码塞在了最高权限的内核态里面。以 Linux 为例,Linux 内核有将近两千万行代码,其中有一千多万是各种硬件驱动,有不少还是停止维护的驱动。这两千万行代码里面随便出一个 RCE,立马就能拿到内核态的执行权限,根本防不胜防。

更恶心人的是,这种规模的内核不仅很难查出漏洞,还很难保证不重新触发

我们以2016年闹得沸沸扬扬的 DirtyCow 漏洞为例,漏洞曝光的时候,Linus 很尴尬地解释道,这个漏洞他11年前就已经修复过一遍了(commit 4ceb5db9757a)。但是后来 IBM S390 平台上 get_user_pages 函数出了问题,有人修复它的时候又把 DirtyCow 重新加了回来(commit f33ea7f404e5)。

之后,包括 Linus 在内,所有开发者都把这件事忘在角落了。这个漏洞就这样藏在上千万行代码里生存了11年,直到2016年才重新被人挖掘出来。

相似的问题,放到微内核里面又会是怎样一副场景呢?

首先,微内核就不会把两千万行代码都塞在内核态里。整个内核态作为系统的最高权限,应该存放最低限度的代码。比如 seL4,一共就8700行代码,即使存在 DirtyCow 这样的漏洞,在短短8000多行代码里面也会非常显眼。

其次,宏内核下的各个部件,本来就应该只拿到和自己工作相关的最低权限,而不是每个部件都自动拿到最高权限。比如驱动,只要拿到跟驱动相关的接口访问权限就够了,有什么操作都调接口交给内核来做。这样一来即使黑客在驱动里找到了 RCE 漏洞,拿到的也只有比人类用户还低的权限,不可能用来提权攻击。

说到这里,各位读者应该也看明白我的意思了:微内核的本质,其实就是把原本的宏内核拆分、降权,把宏内核偷懒没有做的安全工作全都补回来。它跟现在 Google 等公司倡导的 rootless 其实是异曲同工的,就是废止危险的万能权限,把各个部件根据需要降权到应有的层级上去。

这套思路在我看来是完全合理的,也是势在必行的。原本的宏内核架构,就相当于是一家公司为了偷懒,直接给所有员工 CEO 的权限,连刚来的实习生都能拿着 CEO 的公章批合同。这家公司能撑到现在都不倒闭,主要还是因为同行都是这个水平,所以大家谁也没脸笑话谁。现在业界开始试水微内核架构之后,这家公司还能撑几年就难说了。


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