Чому б не мати ОС на високому рівні? Чи ефективніші мови низького рівня?

Не будучи самовпевненим, я хотів би, щоб ви розглядали можливість цього. Більшість ОС сьогодні базується на досить низьких мовах (в основному на C / C ++). Навіть нові, такі як Android, використовує JNI, і основна реалізація знаходиться в C

Насправді, (це особисте спостереження) багато програм, написаних на C, запускаються набагато швидше, ніж їхні високоякісні аналоги (наприклад: Передача (bittorrent-клієнт на Ubuntu) набагато швидше, ніж Vuze (Java) або Deluge (Python) ). Навіть компілятори python написані на C, хоча PyPy - виняток.

Так чи є певна причина цього? Чому так, що всі наші так звані "мови високого рівня" із чудовими концепціями "OOP" не можуть бути використані для створення надійної ОС?

Тож у мене в основному є 2 питання.

1. Чому програми, написані мовами низького рівня, ефективніші, ніж їхні партнери HLL? Чи працюють мови низького рівня з тієї простої причини, що вони низькі, і їх легше переводити в машинний код?
2. Чому у нас немає повноцінної ОС, заснованої повністю на мові високого рівня?

Microsoft зробила кілька дуже цікавих досліджень у цьому напрямку, якщо вивчити особливість:

http://research.microsoft.com/en-us/projects/singularity/

Також Mothy Roscoe та інші працювали над Barrelfish, який використовує мову програмування обмеження Eclipse як службу ОС для вирішення всіх видів управління ОС та розподілу ресурсів:

http://www.barrelfish.org/

Багато залежить від того, куди ви поділите розділення між мовами низького та високого рівня. Наприклад, різні люди схильні ставити мову на зразок C ++ на різні сторони поділу.

Щодо ваших питань:

1. Я не вірю, що існує така різниця між мовами низького рівня та високого рівня, але більше різниця між інтерпретованими мовами та мовами, які компілюються в рідні інструкції.

   Але також може бути різниця в культурі між програмістами, коли ті, хто використовує мову низького рівня, зосереджуються більше на аспектах продуктивності (дизайнерського) вибору, який вони роблять.

2. Якщо ви вважаєте, що C ++ є високорівневим, то існує принаймні одна ОС, написана повністю мовою високого рівня (Symbian OS написана на C ++). Що вас заважає писати ОС на більшості мов високого рівня - це дві речі:

   • ОС потребує низького рівня доступу до пам'яті та обладнання та виконує брудні хитрощі. Цей тип доступу, як правило, вважається небезпечним для програм на рівні додатків, тому багато мов високого рівня цього не дозволяють.
   • ОС потрібно виконувати без наявності програмного забезпечення підтримки, наприклад, перекладачів. Це робить надзвичайно важко писати ОС мовою, яку неможливо легко скласти в рідні інструкції.

Для цього є ряд вагомих причин.

Сьогоднішня мова низького рівня була вчорашньою мовою високого рівня

Так, вірите чи ні, колись навіть С розглядався як мова високого рівня. Навіть ~ 20 років тому це було досить поширеним явищем, щоб описати його як "середній рівень" мови. Це був час, коли OO був таким же популярним, як і сьогодні, Java не існувала, C # не існувало, навіть C ++ ще не було належним чином стандартизовано.

Історична інерція

Операційні системи, які ви використовуєте сьогодні, мають глибоке коріння в історії. Windows повертається до початку / середини 80-х, Unix - до початку / середини 70-х. В операційних системах є багато старого, робочого коду, і ви, як правило, не хочете переписувати старий, робочий код.

У якийсь момент вам доведеться перейти до обладнання

Це відбувається в ядрі, в драйверах, в підсистемах управління пам'яттю, у файловій системі. Впевнені, що ви можете розшаровувати мову високого рівня поверх нього, але вам все одно потрібна можливість більш прямого доступу до обладнання, яке пропонує мова нижчого рівня.

Переносність

Я не маю на увазі переносимість на інше обладнання або іншу ОС, як це частіше розуміється сьогодні; це тонкіше. Є одна головна перевага надання інтерфейсу на основі С для чогось, і це той факт, що практично будь-яка інша мова, яка існує, може посилатися на C. Навіть API API все ще є API на базі C в наші дні з цієї причини.

Особисті переваги

Деякі люди просто вважають за краще програмувати таким чином, і це може бути головним фактором. Наприклад, Лінус Торвальдс має знамениту злобу проти C ++, що дає чітко зрозуміти, що, наскільки він стурбований, C завжди буде його інструментом вибору для такої роботи (зміст рента і чи ви згодні з ним для цієї дискусії не має значення; достатньо того факту, що існує тираж).

У сукупності вони повинні чітко встановити, чому в минулі часи операційна система була написана на чомусь на зразок C, і чому дуже значні фрагменти цього - навіть сьогодні.

Основна причина домінування C для операційних систем криється в історії - поточні основні операційні системи, такі як Windows і всі форми Unix (BSD, Solaris, HP-UX, MacOS X, ... а також клони, такі як Linux) повертаються назад довгий час, перш ніж ОО та інші конструкції "високого рівня" стали мейнстрімом.

Для ядра операційної системи, окрім продуктивності, необхідно дуже чітко ознайомитись з інструкціями щодо обладнання, і потрібно повний контроль над пам'яттю, які мови на зразок C дуже добре працюють.

Для вбудованих систем іноді існують операційні системи, що використовують мови більш високого рівня для більшої частини системи. Один із помітних прикладів - JavaOS від Sun.

Для широко розповсюджених операційних систем помітним прикладом, що не використовує C, є класичний MacOS перед MacOS X - це великими частинами написано на діалекті Паскаля, що дозволяло деяку форму орієнтації на об'єкт.

По-перше, є деякі проблеми завантаження. Більшість функцій, які полегшують мови високого рівня, базуються на абстракціях, які ядро ​​повинне надавати самому. Як ви пишете менеджер пам'яті мовою, яка потребує менеджера пам'яті? Як ви пишете драйвери вводу / виводу без використання приємних стандартних бібліотек вводу / виводу вашої мови? Як ви створюєте примітиви для потоку та синхронізації, не використовуючи бібліотеки мови?

По-друге, надзвичайно корисно і набагато легше читати при написанні операційних систем, щоб мати можливість призначити змінну певному місці пам'яті. Це легко в C, і кожен програміст на C знає, як це зробити. Якщо це можливо навіть на мовах вищого рівня, це так рідко, що тільки гуру знають, як це зробити.

Іншими словами, коли ви враховуєте всі обмеження та зміни, які вам доведеться прийняти, C і C ++ починають виглядати набагато простіше.

Перш за все, для завантаження даних потрібно хоча б невелику частину записати в Асамблеї або еквівалент.

По-друге, там була ОС, написана на безперечно HLL - Lisp Machine . (Справа в тому, що вона не вийшла з комерційних продажів, більше стосується того, щоб інше обладнання стало дешевше, а тріумф гіршого кращий, ніж з недоліками його філософії чи дизайну).

По-третє, C ++ є досить об'єктно-орієнтованим та високим рівнем, тому, як зазначали інші, Symbian OS - ще один приклад.

По-четверте, наразі мало необхідності в нових ОС. У нас вже є чимало ароматів Linux та bsd, які працюють майже на будь-якому апаратному забезпеченні, і створити абсолютно нову ОС з нуля досить дорого.

Для кращої фази, що я писав раніше.

Машини Burroughs 5xxx - 6xxx не мали мови складання. Найнижчою мовою було розширення до Algol. Algol був реалізований апаратно. ОС і всі мови були написані в Algol. Це перевершило всі машини тогочасного конкурента. Це також вимагало значно менше коду, що полегшило його обслуговування. Це обладнання для стека, яке підтримувало рекурсивну мову, такий як Algol.

Операційна система Burroughs перетворилася на версію під назвою MCP. MCP в даний час працює в системах Unisys.

Більшість мов вищого рівня, які ви згадуєте, мають функцію, яка не добре поєднується з операційними системами: автоматичне управління пам’яттю. Ви не можете розраховувати на сміттєзбірник під час написання системи в режимі реального часу - або м'якої (що таке операційна система), або навіть найгіршої. Щоб цитувати Таненбаум [i]:

Деякі речі, яких немає на C, включають вбудовані рядки, нитки, пакунки, класи, об’єкти, безпеку типу та збирання сміття. Останній - шоу-пробка для операційних систем. Всі сховища в C або статичні, або явно розподіляються і вивільняються програмістом, як правило, з функцією бібліотеки malloc і free . Саме остання властивість - повний контроль програміста над пам'яттю - разом із явними покажчиками робить C привабливим для запису операційних систем. Операційні системи - це, в основному, системи в режимі реального часу, певною мірою, навіть загальні. Коли відбувається переривання, операційна система може мати лише кілька мікросекунд, щоб виконати якусь дію або втратити критичну інформацію. Втратити сміття в довільний момент - нестерпно.

Тепер ви можете стверджувати, що C ++ також є хорошим кандидатом, оскільки пропонує ручне управління пам'яттю. C ++ вже застосовувався в деяких операційних системах, таких як Symbian (згадується Bart ) і BeOS. Але IMHO C як і раніше є найшвидшим мовою, який можна перенести в багато архітектур без великих зусиль (на відміну від складання певної архітектури).

_{[i]: Сучасні операційні системи, 3-е видання, стор. 73}

Як зазначають інші, кілька операційних систем написані мовами високого рівня. Можливо, ви маєте на увазі те, що всі успішні, масові ринки, загального призначення ОС були написані в якійсь комбінації збірки, C і C ++?

Більшість мов високого рівня мають безліч корисних функцій, які несуть пов'язані з цим витрати на продуктивність. Автоматизоване управління пам'яттю - очевидний приклад, інша перевірка масивів - інший. Якщо ви пишете ОС загального призначення, ви, швидше за все, зіткнетесь із ситуаціями, коли штраф за ефективність цих корисних функцій більший, ніж ви готові заплатити. У цей момент ви хочете мати можливість вимкнути їх. Такі мови, як Python, C # та Java, залежать від функцій, які можна вимкнути, але жодна з них не є настільки універсальною, як C або C ++ у цьому плані.

У цьому аспекті C і C ++ є настільки ж універсальними, як і чиста збірка. Якщо ви вирішите, що вам потрібно десять різних менеджерів пам’яті, що охоплюють десять різних сценаріїв розподілу пам’яті, ви можете реалізувати їх усі в C та C ++, а також завантажувати та вивантажувати їх, як вважаєте за потрібне. Чорт забирає, вам навіть не потрібно посилатися на стандартні бібліотеки виконання C або стартовий код, якщо цього не потрібно.

Справжня відповідь - Гроші . Недостатньо сприйнятої переваги мовної ОС на високому рівні, щоб виправдати витрачання ресурсів на її створення, а потім наштовхнути її в основний потік. Наприклад, для створення нового драйвера для кожної апаратури, яку вона потребує, є великі витрати.

Існують різні ОС, написані мовами високого рівня, з основною метою дослідження, такими як Oberon та Singularity .