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关于微内核的对话

不知怎么的，最近“微内核 vs 宏内核”又成了热门话题。这场争论从 1992 年开始……

前言

说实话我很久没有关心操作系统了，因为通常所谓的“操作系统”在我心里不过是一个 C 语言的运行时系统（run-time system），就像 JVM 是 Java 的运行时系统一样。由于 C 语言的设计缺陷，这些系统引入了各种无需有的概念（进程，线程，虚拟内存……），以及它们带来的复杂性和开销。

微内核与宏内核之争当然也包括在内，在我看来这些都是无需有的概念和争论。操作系统相关的领域有很多的“宗教斗争”，比如“Linux vs Windows”，“自由软件 vs 不自由软件”，“RISC vs CISC”，甚至“VIM vs Emacs”…… 人们为了证明自己用的系统或者工具是世界上“最好”的，吵得昏天黑地。遇到有人指出自己用的工具的缺点，随时可能拿枪毙了对方。这些被叫做“flame war”。

我曾经是某些宗教斗争中活跃的一员，不知道这事的人可以去查一下我的历史。等你经历了很多才发现，原来这些宗教情绪和斗争都是那么幼稚无知。

这种“技术宗教情绪”往往显示出参与者心理地位的低下。因为他们缺乏自信，所以他们的心理需要靠山。这个靠山可能是某种操作系统（比如 Linux），某种编程语言（比如 C++），或者某种工具（比如 VIM）。这些人以自己能熟练使用这些工具为豪，居高临下，看不起“异教徒”。

具有技术宗教情绪的人看似是为了“技术”，“理想”，而其实跟那些以为开着豪车，穿着名牌就是“上流社会”的人是一样低级的，因为他们依靠于这些物品，所以他们的地位在这些物品之下。

一个人需要彻底的把这些东西看成是“东西”，不带有任何崇拜或者鄙视的情绪，他的心理才算是成熟了。

在我的理念里，一个操作系统本应该大概是这个样子。简单得很，根本不存在那么多问题。我可以利用这些思想来看透现有操作系统的绝大部分思想，管它是微内核还是宏内核。我可以把现有的操作系统看成是这个系统的“退化版”。

操作系统是一个死知识横行的领域。很多人发现操作系统课难学，难理解。里面有些内容，比如各种同步机制，很多人上完课毕了业，工作很多年以后都还弄不明白是怎么回事，它们为什么在那里。类似的东西包括虚拟内存，进程与线程的区别，等等。

经过了很多的经验和思考，加上其他领域给我的启发，我终于明白了。原来很多这些概念都是无须有的，死掉的知识。

操作系统课程里面的概念经常是这样形成的：

1. 很久以前，有人为了解决了一个特定的问题，提出了一个概念（比如 semaphore）。这个概念本来只有一个用途，就是解决他遇到的那个特定的问题。
2. 因为这人太有名，这概念就被写进了教科书里。有时候连他当时的具体实现细节都给写进去了。比如 semaphore 的两个操作被叫做 P 和 V，连这两个名字都给作为“典故”写进去了。
3. 教授们照本宣科，吹毛求疵，要你用这概念解决很多其它问题。很多根本就是人为造出来的变态问题，现实中遇不到的，或者是一些不该用这个概念解决的问题。

这就是为什么操作系统课学起来那么难——很多都是没道理的难。

再加上 Unix 系统里面一堆设计恶劣，无法有效组合使用的工具软件，操作系统就在学生心中产生了威慑力。死记硬背，喜欢折腾，喜欢发现奇技淫巧的人，在这个领域里茁壮成长。逐渐的，他们产生了莫名的自信。他们并不理解里面的很多概念是怎么来的，只是记住了它们，他们写的代码很难看懂。然后他们开始从心理上打压那些记不住这些概念，看不懂他们代码的人。

久而久之，这些人就成为了大家所崇拜的“神”。

跟有些人聊操作系统是件闹心的事，因为我往往会抛弃一些术语和概念，从零开始讨论。我试图从“计算本质”的出发点来理解这类事物，理解它们的起因，发展，现状和可能的改进。我所关心的往往是“这个事物应该是什么样子”，“它还可以是什么（也许更好的）样子”，而不只是“它现在是什么样子”。不明白我的这一特性，又自恃懂点东西的人，往往会误以为我连基本的术语都不明白。于是天就这样被他们聊死了。

幸运的是我有几个聊得来的朋友，他们不会那么教条主义。于是今天我跟一个朋友在微信上聊起了“微内核 vs 宏内核”这件事。其实这个问题在我脑子里已经比较清楚了，可是通过这些对话，我学到了新的东西。这些东西是我们在对话之前可能都没有完全理解的，也许很多其他人也没理解。所以我觉得可以把这些有价值的对话记录下来。

我不想从头解释这个事，因为你可以从网络上找到“微内核”和“宏内核”的设计原理。我想展示在这里的只是我们的对话，里面有对也有错，翻来覆去的思想斗争。对话是一个很有意思的东西，我觉得比平铺直叙的文章还要有效一些。

对话

好了，现在开始。对话人物“WY”是我，“LD”是我的一个朋友。

（8 月 19 日，开始）

（8 月 20 日继续讨论）

WY：我发现这个 paper……

WY：这东西叫 L4Linux，就是 Linux 跑在 L4 微内核上。比起纯 Linux，开销只有 5%

WY：代码在这里：http://os.inf.tu-dresden.de/L4/LinuxOnL4

WY：L4 的做法是 1) 小参数用寄存器传递，不切换某些寄存器。2) 大型参数把内存映射到接收进程，跟我之前设想的一样。这样避免了拷贝。然后采用了“direct process switch”，“lazy scheduling”降低了调度开销。现代处理器的 tagged TLB 之类也大大降低了进程切换开销。 WY：上图是 direct message copy。先把接收进程的目的地址映射到发送进程的地址空间，然后发送进程往里拷贝。所以其实仍然有一次拷贝，并不像我理想的 OS 那样直接就能传递对象引用，完全不用拷贝。Pass-by-value vs pass-by-reference。但这比起 Linux 似乎开销是一样的。

Safe and secure by design
- RTOS designed for use in reliable, mission critical, 
safety critical and secure (MILS & MLS) applications
- Based on modern microkernel RTOS design
- Fast, deterministic behavior with absolute minimum interrupt latencies

……

（如果你有什么不同意见，欢迎联系我。如果觉得有帮助，可以考虑付费）