一種新的作業系統設計

我一直在試圖利用程式語言的設計原理，設計一種超越“Unix 哲學”的作業系統。這裡是我的設想：

• 這種系統裡面的程式間通訊不使用無結構的字串，而是使用帶有型別和結構的資料。在這樣的系統裡面，Unix 和其它類似作業系統（比如 Windows）裡的所謂“應用程式”的概念基本上完全消失。系統由一個個很小的“函式”組成，每個函式都可以呼叫另外一個函式，通過引數傳遞資料。每個函式都可以手動或者自動併發執行。用現在的系統術語打個比方，這就像是所有程式碼都是“庫”程式碼，而不存在獨立的“可執行檔案”。

• 由於引數是資料結構而不是字串，這避免了程式間通訊繁瑣的編碼和解碼過程。使得“程序間通訊”變得輕而易舉。任何函式都可以呼叫另一個函式來處理特定型別的資料，這使得像 “OLE 嵌入”這樣的機制變得極其簡單。

• 所有函式由同一種先進的高階程式語言寫成，所以函式間的呼叫完全不需要“翻譯”。不存在 SQL injection 之類由於把程式當成字串而產生的錯誤。

• 由於這種語言不允許應用程式使用“指標運算”，應用程式不可能產生 segfault 一類的錯誤。為了防止不良使用者手動在機器碼裡面加入指標運算，系統的執行的程式碼不是完全的機器程式碼，而必須通過進一步的驗證和轉換之後才會被硬體執行。這有點像 JVM，但它直接執行在硬體之上，所以必須有一些 JVM 沒有的功能，比如把記憶體裡的資料結構自動換出到硬碟上，需要的時候再換進記憶體。

• 由於沒有指標運算，系統可以直接使用“實地址”模式進行記憶體管理，從而不再需要現代處理器提供的記憶體對映機制以及 TLB。記憶體的管理粒度是資料結構，而不是頁面。這使得記憶體訪問和管理效率大幅提高，而且簡化了處理器的設計。據 Kent Dybvig 的經驗，這樣的系統的記憶體使用效率要比 Unix 類的系統高一個數量級。

• 系統使用與應用程式相同的高階語言寫成，至於“系統呼叫”，不過是呼叫另外一個函式。由於只有這些“系統驅動函式”才有對裝置的“引用”，又因為系統沒有指標運算，所以使用者函式不可能繞過系統函式而非法訪問硬體。

• 系統沒有 Unix 式的“命令列”，它的“shell”其實就是這種高階語言的 REPL。使用者可以在終端用視覺化的結構編輯方式輸入各種函式呼叫，從而啟動程序的執行。所以你不需要像 Unix 一樣另外設計一種毛病語言來“粘接”應用程式。

• 所有的資料都作為“結構”，儲存在一個分散式的資料共享空間。同樣的那個系統語言可以被輕鬆地傳送到遠端機器，呼叫遠端機器上的庫程式碼，執行任意複雜的查詢索引等動作，取回結果。這種方式可以高效的完成資料庫的功能，然而卻比資料庫簡單很多。所謂的“查詢語言”（比如 SQL，Datalog，Gremlin，Cypher）其實是多此一舉，它們遠遠不如普通的程式語言強大。說是可以讓使用者“不需要程式設計，只提出問題”，然而它們所謂的“優化”是非常侷限甚至不可能實現的，帶來的麻煩遠比直接程式設計還要多。邏輯式程式語言（比如 Prolog）其實跟 SQL 是一樣的問題，一旦遇到複雜點的查詢就效率低下。所以系統不使用關係式資料庫，不需要 SQL，不需要 NoSQL，不需要 Datalog。

• 由於資料全都是結構化的，所以沒有普通作業系統的無結構“檔案系統”。資料結構可能通過路徑來訪問，然而路徑不是一個字串或者字串模式。系統不使用正則表示式，而是一種類似 NFA 的資料結構，對它們的拆分和組合操作不會出現像字串那樣的問題，比如把 /a/b/ 和 /c/d 串接在一起就變成錯誤的 /a/b//c/d。

• 所有的資料在合適的時候被自動同步到磁碟，並且進行容錯處理，所以即使在機器掉電的情況，絕大部分的資料和程序能夠在電源恢復後繼續執行。

• 程式設計師和使用者幾乎完全不需要知道“資料庫”或者“檔案系統”的存在。程式假設自己擁有無窮大的空間，可以任意的構造資料。根據硬體的能力，一些手動的存檔操作也可能是有必要的。

• 為了減少資料的移動，系統或者使用者可以根據資料的位置，選擇： 1）遷移資料，或者 2）遷移處理資料的“程序”。程式設計師不需要使用 MapReduce，Hadoop 等就能進行大規模平行計算，然而表達能力卻比它們強大很多，因為它們全都使用同一種程式語言寫成。

我曾經以為我是第一個想到這個做法的人。可是調查之後發現，很多人早就已經做出了類似的系統。Lisp Machine 似乎是其中最接近的一個。Oberon 是另外一個。IBM System/38 是類似系統裡面最老的一個。最近一些年出現的還有微軟的Singularity，另外還有人試圖把 JVM 和 Erlang VM 直接放到硬體上執行。

所以這篇文章的標題其實是錯的，這不是一種“新的作業系統設計”。它看起來是新的，只不過因為我們現在用的作業系統忘記了它們本該是什麼樣子。我也不該說它“超越了 Unix 哲學”，而應該說，所謂的 Unix 哲學其實是歷史的倒退。