问题

为什么现在没有人开发新的OS内核?

回答
你提出的这个问题非常棒,也触及了操作系统内核开发领域的一个核心议题。简而言之,“现在没有人开发新的OS内核”的说法并不完全准确,但确实,与历史上相比,全新的、具有颠覆性的通用操作系统内核的开发变得极其罕见,并且面临着巨大的挑战。

为了详细解释这一点,我们需要从多个维度来剖析:

一、 历史背景:为什么曾经有很多新的OS内核?

在计算机发展的早期,操作系统(OS)的概念尚在萌芽阶段,硬件架构多样且标准化程度低。

硬件的多样性与独特性: 每一家硬件厂商都有自己的CPU架构、内存管理方式、I/O设备接口等。为了充分发挥硬件的性能,针对特定硬件开发定制化的OS内核是必然的选择。例如,早期的Minicomputer和Mainframe时代,厂商提供的OS就是为自家硬件量身打造的。
技术门槛相对较低(以今天的标准而言): 相较于现在,当时CPU的指令集相对简单,内存管理也更直接。操作系统内核需要实现的功能(如进程调度、内存分配、文件系统)虽然复杂,但其底层逻辑和抽象程度远不如今日。
学术研究与实验的驱动: 大量OS内核的开发来自于大学和研究机构的学术研究。他们会开发新的内核来验证新的理论、算法和设计思想,例如UNIX的诞生就与贝尔实验室的学术探索密切相关。
商业机会与竞争: 不同的公司都在试图抓住个人电脑、工作站等新兴市场的机会,通过提供不同于现有操作系统的解决方案来争夺市场份额。

二、 当前现状:为什么新的通用OS内核开发如此困难和罕见?

现在的情况发生了根本性的变化,导致了开发全新的、具有广泛应用前景的通用OS内核变得异常困难。

1. 巨头们的垄断和生态系统的壁垒:
Windows和macOS (Apple): 这两款操作系统在桌面和笔记本电脑市场占据主导地位。它们的内核(NT Kernel和XNU Kernel)已经发展了数十年,积累了海量的驱动程序支持、应用程序兼容性和用户群体。
Linux(及其各种发行版): Linux内核是开源的典范,在服务器、嵌入式设备、超级计算机等领域占据了绝对优势。其庞大的开发者社区和丰富的生态系统使其几乎无处不在。
移动设备 (Android/iOS): Android(基于Linux内核)和iOS(基于XNU内核的变种)几乎垄断了智能手机和平板电脑市场。其对移动硬件的优化、应用商店的生态以及用户习惯已经形成难以逾越的壁垒。
封闭的生态系统: 这些主流操作系统拥有极其庞大和复杂的生态系统,包括大量的应用程序、驱动程序、开发工具、标准库、API等。一个全新的内核如果想在这个生态中立足,就必须能够兼容这些现有的软件和硬件。这几乎是不可能的任务,因为现有内核的设计和实现已经高度依赖于底层硬件和软件的特定细节。
开发者和用户的迁移成本: 即使一个新内核在技术上有所创新,让开发者去重写所有应用程序,让用户去适应一个全新的操作界面和使用习惯,其成本和难度都是巨大的。

2. 硬件的复杂性与标准化:
复杂的CPU架构: 现代CPU(如x8664, ARMv8/v9)拥有极其复杂的指令集、乱序执行、流水线、缓存一致性等特性。内核需要深入理解和高效利用这些特性,并且要处理不同厂商的CPU变种和微架构差异。
海量的驱动程序需求: 现代计算机拥有数以千计的各种硬件设备,如显卡、网卡、声卡、USB控制器、硬盘控制器、蓝牙芯片、WiFi芯片等等。每一个设备都需要一个专门的驱动程序才能被操作系统识别和使用。开发一个全新的内核,意味着需要从零开始编写或适配所有这些驱动程序,这是一个极其庞大且耗时的工作。主流OS已经积累了海量的、经过充分测试的驱动程序。
固件和硬件抽象层 (HAL): 现代硬件启动过程依赖于BIOS/UEFI等固件,并且有很多硬件特性是通过固件或特定的硬件抽象层暴露的。新的内核需要正确地与这些固件交互,并正确地抽象硬件细节。

3. 技术挑战与成熟度:
安全性和稳定性要求极高: OS内核是整个系统的基础,任何细微的错误都可能导致系统崩溃或安全漏洞。现代内核在安全性和稳定性方面已经达到了非常高的水平,开发者需要具备极其深厚的专业知识和严谨的开发流程才能与之匹敌。
性能优化与资源管理: 如何高效地调度CPU资源、管理内存、控制I/O,以实现最佳的系统性能和用户体验,是内核开发的永恒课题。现有的内核在这些方面已经经过了数十年的优化和迭代。
并发与同步: 多核CPU的普及使得并发编程成为常态。内核需要处理大量的并发操作,并确保数据的一致性,这需要精妙的同步机制和对并发模型深入的理解。
虚拟化、容器化等新技术集成: 现代操作系统还需要支持各种高级技术,如虚拟化(VMware, KVM)、容器化(Docker, Kubernetes)、高级文件系统(ZFS, Btrfs)、实时性保证等,这些都需要在内核层面进行复杂的设计和实现。

4. 开发成本与回报不成正比:
巨大的投入: 开发一个全新的通用OS内核需要庞大的开发团队、长期的研发投入、大量的测试资源以及对各种硬件的兼容性支持。
难以获得市场认可: 在现有巨头垄断的市场中,一个新内核很难找到切入点,也难以获得广泛的市场认可和商业回报。即使在某些细分领域有所创新,也很难挑战主流OS的地位。

三、 哪些“新的OS内核”仍在开发?它们的特点是什么?

虽然全新的“通用”OS内核非常罕见,但在一些特定的领域,新的内核项目仍然在活跃开发中,只是它们的目标和定位与传统的通用OS不同:

微内核 (Microkernel) 和外核 (Exokernel) 的研究与发展:
Minix 3: 最初是为教学目的开发的微内核,后来发展成为一个注重容错性和可靠性的系统,用于嵌入式和安全关键领域。
Genode OS Framework: 一个以微内核为基础的开源框架,允许构建小型、可验证的沙箱化应用程序,并提供了一个安全、模块化的软件开发环境。
seL4: 一个高度安全、高可靠性的微内核,被广泛应用于安全关键系统和研究领域,它提供了形式化验证,保证了其设计的正确性。
这些内核的特点: 它们通常不是为了替代Windows或Linux而设计,而是为了在特定领域(安全、可靠性、低功耗、教育、研究)提供更优的解决方案。它们通常在设计理念上与单体内核(Monolithic Kernel,如Linux)有很大不同,强调模块化、安全性和最小化特权。

嵌入式系统和物联网 (IoT) 内核:
RTEMS, FreeRTOS, Zephyr 等实时操作系统(RTOS)内核: 这些内核专为资源受限的嵌入式设备设计,强调实时性、低功耗和小体积。它们在物联网设备、工业控制、汽车电子等领域非常活跃。
RISCV 生态中的新兴内核: 随着RISCV指令集的兴起,一些新的操作系统和内核项目也在围绕RISCV硬件进行开发,试图为这个开放的指令集生态提供新的选择。

针对特定硬件和应用场景的定制化内核:
AI/机器学习加速器专用内核: 一些公司会为自己的AI芯片开发高度优化的专用内核,以最大化硬件性能。
分布式系统和云计算平台的定制化内核模块: 虽然不一定是全新的内核,但很多云服务提供商会针对其基础设施需求,在Linux内核的基础上进行大量的定制化开发和优化,例如添加新的调度器、网络协议、存储驱动等。

研究性项目:
Rust 语言内核项目: 随着Rust语言在系统编程领域的流行,有一些项目正在尝试使用Rust来编写操作系统内核,例如Redox OS。这些项目旨在利用Rust的内存安全和并发特性来提高内核的可靠性和安全性。

四、 未来发展方向:

虽然直接开发全新的通用OS内核不太可能,但OS内核领域仍然在不断发展和演进:

模块化和可伸缩性: 未来的内核可能会更加模块化,允许根据不同的硬件和应用场景进行定制和裁剪。
安全性与形式化验证: 随着对安全性的需求越来越高,形式化验证等技术可能会在内核开发中扮演更重要的角色。
硬件抽象与加速: 内核将继续优化对新硬件特性的支持,例如更强大的GPU、NPU等,并提供更高效的硬件抽象。
与虚拟化、容器化技术的深度融合: 内核将更紧密地集成虚拟化和容器化技术,以支持更加灵活和高效的计算环境。
特定领域优化: 针对物联网、边缘计算、人工智能等新兴领域的特殊需求,将会有更多定制化或领域优化的内核项目出现。

总结:

总而言之,“现在没有人开发新的OS内核”这个说法不完全准确,但全新的、具有颠覆性市场影响力的通用操作系统内核确实极其罕见。这主要是因为现有巨头在市场、生态系统和技术上的强大优势,以及开发一个能够与之抗衡的通用内核所需要付出的巨大成本和面临的技术挑战。

然而,在嵌入式系统、实时操作系统、安全领域、研究领域以及针对特定硬件和应用场景的定制化需求下,新的操作系统内核项目依然活跃,并展现出不同的发展方向和技术特点。未来的OS内核开发更可能是围绕现有内核的演进和在特定领域的创新,而不是从零开始的全新通用OS的颠覆。

网友意见

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介绍两个新的OS:

  • Redox
  • TockOS

第一个Redox是Rust编写的操作系统。

Unix/Linux的哲学是:一切皆文件。

而Redox的哲学是:一切皆URL。一切皆URL是Redox设计中的重要原则。粗略地说,意味着API/ 设计/生态系统都以URL为中心,并且作为主要的通信原语。应用程序使用URL相互通信,包括系统、后台程序。这个想法和Plan 9系统是相似的。

一切皆URL的好处是,不会像一切皆文件那样强制形成一个树结构。资源可以通过协议来区分。


另外,Redox虽然是开源项目,但其背后是System76公司。


参考:

Programming for Redox OS


另外一个是 TockOS,同样是由Rust实现的Cortex-M微控制器嵌入式操作系统。

已经发布了1.1版本,该文章是汇总Tock开发的40个相关帖子:

Talking Tock 40

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