為什么不用Go開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)？

本文整理自 GoLand 官方博客的一篇文章：《OS in Go? Why Not?》，探討了為什么像 C 這樣的編程語(yǔ)言在 OS 開(kāi)發(fā)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，以及是否可以使用 Go 編寫(xiě) OS。此外還提到了用 Go 開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)的可行性、局限性，以及目前的部分成果。

操作系統(tǒng) (OS) 是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的心臟和靈魂，它管理著計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，并為用戶(hù)提供與計(jì)算機(jī)交互的方式。傳統(tǒng)上，C 和 Assembly 等語(yǔ)言因其低開(kāi)銷(xiāo)和 “接近機(jī)器碼” 的特性而被用于開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)。 但諸如 Go 等高級(jí)語(yǔ)言的興起引入了一些特性，這些特性或許可以使開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)等復(fù)雜軟件變得更加容易。例如，類(lèi)型安全、錯(cuò)誤處理和并發(fā)性在開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該是有益的。 因此，采用像 Go 這樣的高級(jí)語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)理應(yīng)是自然選擇，但為什么并沒(méi)有成功的案例？

操作系統(tǒng)由不同的組件構(gòu)成，它們負(fù)責(zé)不同的功能，可以使用不同的編程語(yǔ)言編寫(xiě)。 操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核 (Kernel)，它負(fù)責(zé)與硬件交互 —— 幾乎都是采用 C 或匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。至于面向用戶(hù)的組件（例如 GUI 應(yīng)用程序），可以采用任何語(yǔ)言編寫(xiě)。 例如，Android 采用 Java 編寫(xiě)用戶(hù)層的組件，如 GUI 框架和系統(tǒng)應(yīng)用程序（相機(jī)、電話(huà)等）。相對(duì)應(yīng)的，其內(nèi)核采用 C 和匯編語(yǔ)言編寫(xiě)；底層系統(tǒng)組件 —— 庫(kù)，則是用 C++ 編寫(xiě)。 C 語(yǔ)言 “統(tǒng)治” 內(nèi)核的主要原因：

可直接管理內(nèi)存

缺少抽象

無(wú)需依賴(lài)運(yùn)行時(shí)

可移植性

Go 作為高級(jí)語(yǔ)言提供了許多令人滿(mǎn)意的特性。從這方面來(lái)看，它似乎可以成為開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)的絕佳選擇：

某些類(lèi)型的錯(cuò)誤在高級(jí)語(yǔ)言中出現(xiàn)的可能性要小得多

并發(fā)性：在高級(jí)語(yǔ)言中處理并發(fā)更容易，因?yàn)閹缀趺糠N高級(jí)語(yǔ)言都內(nèi)置處理并發(fā)所需的機(jī)制

類(lèi)型安全：防止像 C 的寬松類(lèi)型強(qiáng)制執(zhí)行

不過(guò)盡管 Go 提供了令人滿(mǎn)意的特性，可以讓操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者的工作更輕松，但它也有一些局限性。 作為一種具有垃圾回收功能的語(yǔ)言，Go 并不真正適合操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。使用 Go 編寫(xiě)內(nèi)核意味著需要小心翼翼地繞過(guò) Go 的垃圾收集。正如 Reddit 論壇中開(kāi)發(fā)者提到的，鼠標(biāo)滯后可能是因?yàn)橹袛嗵幚沓绦蚍峙淞擞|發(fā)垃圾回收的內(nèi)存。 此外，Go 還需要大量的 runtime 才能執(zhí)行，這意味著它不能直接在硬件上運(yùn)行。盡管 TinyGo 可以將 Go 編譯為在裸機(jī)上運(yùn)行，但與 C 相比，它只支持少量的架構(gòu)，而 C 幾乎可以在任何架構(gòu)上運(yùn)行。 總的來(lái)說(shuō)，使用 Go 開(kāi)發(fā)一個(gè)不是 “玩具性質(zhì)” 的操作系統(tǒng)幾乎是不可能。尤其是要求支持在多種架構(gòu)上運(yùn)行、支持不同設(shè)備（如顯卡或網(wǎng)卡），并符合 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)，這更是極具挑戰(zhàn)性。 最后看一下探索用 Go 開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)的案例。 Biscuit 是一個(gè)用 Go 開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)，運(yùn)行在 64 位 X86 架構(gòu)上。它使用經(jīng)過(guò)修改的 Go 1.10 運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)，其中添加了更多匯編代碼來(lái)處理系統(tǒng)調(diào)用和中斷處理程序的引導(dǎo)和進(jìn)入 / 退出。

Biscuit 為用戶(hù)進(jìn)程提供 POSIX 接口，支持 fork、exec 等。它實(shí)現(xiàn)了支持核心 POSIX 文件系統(tǒng)調(diào)用的文件系統(tǒng)。Biscuit 為用 Go 編寫(xiě)的 Intel PCI-Express 以太網(wǎng) NIC 實(shí)現(xiàn)了 TCP/IP 堆棧和驅(qū)動(dòng)程序。使用 POSIX 接口，Biscuit 可以在不修改源代碼的情況下運(yùn)行許多 Linux C 程序。 然而，Biscuit 缺少許多功能，例如調(diào)度優(yōu)先級(jí)、換出頁(yè)面或磁盤(pán)，以及安全功能，例如用戶(hù)、訪(fǎng)問(wèn)控制列表和地址空間隨機(jī)化。

審核編輯 ：李倩