國產(chǎn)操作系統(tǒng)回顧2022 展望2023值得關(guān)注的技術(shù)趨勢 

在整個軟件生態(tài)中，操作系統(tǒng)起到重要的承上啟下作用。經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)迭代和演進(jìn)，操作系統(tǒng)整體發(fā)展穩(wěn)健。從技術(shù)角度來看，雖然近幾年并未涌現(xiàn)突破性成果，但不少受訪專家對 InfoQ 表示，巨變正在醞釀中。當(dāng)前，全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型持續(xù)深入，以及摩爾定律的失效，都為軟硬件帶來新的挑戰(zhàn)，而這也是操作系統(tǒng)變革的重要驅(qū)動力。

回顧操作系統(tǒng)的 2022 年，可以發(fā)現(xiàn)，有些改變正在悄然發(fā)生。隨著“量變”的積累，操作系統(tǒng)必將迎來“質(zhì)變”的飛躍。

2022 年，值得關(guān)注的大事件

2022 年，全球操作系統(tǒng)市場格局穩(wěn)定。看國外主流操作系統(tǒng)，桌面操作系統(tǒng)方面并未帶來太多驚喜。與去年重磅發(fā)布的 Windows 11、Windows 365 相比，Windows 今年僅帶來了一些小范圍的更新。

移動操作系統(tǒng)方面，Android 13 與 iOS 16 相繼登場，但也都屬于常規(guī)升級。2 月 11 日，谷歌發(fā)布了首個 Android 13 開發(fā)者預(yù)覽版，8 月 16 日，谷歌向 Pixel 機(jī)型推送了 Android 13 正式版更新，并正式開源；6 月 7 日，蘋果正式發(fā)布 iOS 16，并推送了首個開發(fā)者預(yù)覽版，9 月 13 日，蘋果正式推送 iOS 16 系統(tǒng)更新。

服務(wù)器操作系統(tǒng)方面，發(fā)展穩(wěn)健。5 月，紅帽正式發(fā)布 RHEL 9，其基于上游內(nèi)核版本 5.14，并源自 CentOS Stream；10 月，SUSE 推出業(yè)界首個自適應(yīng) Linux 平臺原型（Adaptable Linux Platform，簡稱 ALP），旨在讓用戶專注于工作負(fù)載，從硬件和應(yīng)用層抽離出來。

看國內(nèi)操作系統(tǒng)，2022 年迎來了多個版本升級。3 月，OpenHarmony 3.1 正式發(fā)布；4 月，歐拉首個數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施全場景長周期版本 openEuler 22.03 LTS 正式發(fā)布；7 月，華為正式發(fā)布 HarmonyOS 3 以及搭載 HarmonyOS 3 的多款新產(chǎn)品；8 月，OpenCloudOS 開源操作系統(tǒng)社區(qū)正式發(fā)布首個 Linux 源社區(qū)（L1）內(nèi)核版本 OCKS 2207，這也是 OpenCloudOS 源社區(qū)項目的核心組件；11 月，龍蜥社區(qū)正式發(fā)布面向云時代打造的下一代操作系統(tǒng) Anolis OS 23 公測版……

2022 年，國產(chǎn)操作系統(tǒng)市場增速顯著。根據(jù)億歐智庫測算，國產(chǎn)操作系統(tǒng)通用市場增速將超過 20%，在 2024 年將達(dá)到 34.1 億元的規(guī)模。服務(wù)器操作系統(tǒng)方面，數(shù)據(jù)顯示，2022 年上半年，中國服務(wù)器操作系統(tǒng)新增裝機(jī)量是 195 萬套，全年預(yù)計超過 400 萬，過去兩年，這個數(shù)字是 322 萬和 350 萬。這說明在產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的背景下，操作系統(tǒng)依然是個巨大的增量市場。

總體而言，2022 年，國產(chǎn)操作系統(tǒng)在技術(shù)、社區(qū)和商業(yè)化方面均有快速發(fā)展：技術(shù)方面，更多企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)投入到自研系統(tǒng)項目中，原創(chuàng)組件和技術(shù)如雨后春筍般涌現(xiàn)；社區(qū)方面，頭部社區(qū)蓬勃發(fā)展，新的社區(qū)不斷出現(xiàn)；商業(yè)化方面，OSV 都有較為明顯的業(yè)績增長。

另一個顯著變化是，中國開源力量迅速崛起，國內(nèi)開發(fā)者正越來越深入地參與到開源操作系統(tǒng)的建設(shè)中。在一份對 Linux 內(nèi)核提交數(shù)量的統(tǒng)計中，來自中國的開發(fā)者占比不斷提高，有統(tǒng)計的來自中國的 patch 數(shù)，連續(xù) 7 年超過美國成為第一。

操作系統(tǒng)作為底層基礎(chǔ)軟件，其安全性至關(guān)重要，操作系統(tǒng)的安全也是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息安全的基礎(chǔ)。2022 年，全球范圍內(nèi)都進(jìn)一步重視開源軟件供應(yīng)鏈問題，可以說，開源安全在今年邁出了一大步。

2022 年 1 月 13 日，美國白宮召集了政府和 Apache 軟件基金會、Linux 基金會、開源安全基金會、GitHub、微軟、谷歌、甲骨文、紅帽等企業(yè)或組織共同談?wù)撻_源軟件安全問題。5 月 12 日，Linux 基金會和開源安全基金會提出了一項為期兩年的近 1.5 億美元的投資計劃，并提出十個開源安全目標(biāo)：安全教育、風(fēng)險評估、數(shù)字簽名、內(nèi)存安全、事件響應(yīng)、更好的掃描、代碼審計、數(shù)據(jù)共享、軟件物料清單（SBOM）以及改進(jìn)的供應(yīng)鏈。

國內(nèi)方面，10 月 24 日，開放原子開源基金會聯(lián)合 27 家單位共同發(fā)起開源安全委員會，開源安全委員會致力于制定開源項目的安全流程和規(guī)范、提供開源開發(fā)的安全工具和平臺、發(fā)起開源安全依賴的關(guān)鍵項目、推動開源安全的國際合作與交流。

如何評價國產(chǎn)操作系統(tǒng)的 2022？

對于國產(chǎn)操作系統(tǒng)在 2022 年的整體發(fā)展，受訪專家均給出了積極評價，關(guān)鍵詞包括機(jī)遇、加速、合力等。

操作系統(tǒng)作為信息技術(shù)的核心底座，具有復(fù)雜度高、投入大、生態(tài)建設(shè)難、成功率低等特點(diǎn)。經(jīng)過二十余年的探索與實踐，中國有能力在技術(shù)上實現(xiàn)一個大型的操作系統(tǒng)。同時，近幾年國內(nèi)操作系統(tǒng)市場快速增長，人才儲備量提升，政策投入力度巨大，操作系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)正迎來新機(jī)遇。在這一背景下，國產(chǎn)操作系統(tǒng)的發(fā)展也駛?cè)肟燔嚨溃瑥臒o到有，從可用到好用，國內(nèi)開發(fā)者用短時間迅速完成這一轉(zhuǎn)變。此外，與其他軟件不同，操作系統(tǒng)是一個強(qiáng)生態(tài)的產(chǎn)品，這也需要操作系統(tǒng)廠商與硬件廠商、高校、互聯(lián)網(wǎng)等軟件廠商等各個鏈條通力合作，共同促進(jìn)操作系統(tǒng)生態(tài)建設(shè)。

對于服務(wù)器操作系統(tǒng)，則可以用“格局盡顯，穩(wěn)中有進(jìn)”來形容這一年。

2022 年，主流云廠商、服務(wù)器廠商、芯片廠商以及傳統(tǒng)操作系統(tǒng)廠商都加大了對操作系統(tǒng)研發(fā)和操作系統(tǒng)社區(qū)的投入。隨著中國在操作系統(tǒng)領(lǐng)域研發(fā)力度的持續(xù)增加，國產(chǎn)開源操作系統(tǒng)社區(qū)和商業(yè)化操作系統(tǒng)的產(chǎn)品性能都已經(jīng)大幅提升，生態(tài)建設(shè)也初具規(guī)模，開始具備規(guī)模化推廣能力。

“當(dāng)前國產(chǎn)操作系統(tǒng)正在逐漸走向成熟好用階段。未來 5-10 年，可能是國產(chǎn)操作系統(tǒng)的黃金時代。”受訪專家表示。

重點(diǎn)趨勢與變化解讀

2022 年，Linux 內(nèi)核最大的一個變化是新增了對 Rust 語言的支持。此外，近兩年涌現(xiàn)出的新技術(shù)在 2022 年繼續(xù)帶來新的變化，如 eBPF 技術(shù)、RISC-V 架構(gòu)。

Rust for Linux

Rust 憑借其內(nèi)存安全特性，近年來受到越來越多開發(fā)者的支持，并連續(xù) 7 年被 Stack Overflow 開發(fā)者調(diào)查評為“最受歡迎的編程語言”。2022 年的調(diào)查結(jié)果顯示，有 87% 的開發(fā)者表示想要繼續(xù)使用 Rust。

而 Linux 內(nèi)核社區(qū)長期以來都是以性能、穩(wěn)定性、安全作為發(fā)展的基本要求，這與 Rust 在安全方面的特性非常契合。因此，早在幾年前就有開發(fā)者呼吁在 Linux 內(nèi)核中增加 Rust 語言的支持。

在 2022 年 9 月舉行的 Linux Plumbers Conference 上，有一場關(guān)于 Rust 是否會出現(xiàn)在 Linux 中的小型會議，會議討論了將 Rust 作為一門系統(tǒng)編程語言集成到 Linux 內(nèi)核主線的工作。彼時，Linux 的創(chuàng)建者 Linus Torvalds 在接受媒體采訪時表示，“如果不出意外，Rust 將會出現(xiàn)在 Linux 6.1 版本中”。12 月 11 日，Linus Torvalds 發(fā)布了最新的 Linux 6.1 內(nèi)核穩(wěn)定版，正式引入對 Rust 的支持。

Rust for Linux 帶來的收益明顯，安全性上的收益尤為突出。

在安全性上，Window 的一份數(shù)據(jù)可以作為參考。此前，一位微軟工程師曾透露，微軟產(chǎn)品每年通過安全更新解決的所有漏洞中，大約 70% 是內(nèi)存安全問題。因為 Windows 主要是用 C/C++ 這兩種“內(nèi)存不安全”的編程語言編寫的。

Linux 同樣如此。隨著 Linux 內(nèi)核代碼量愈發(fā)龐大，貢獻(xiàn)者數(shù)量迅速增長，系統(tǒng)安全性問題也變得越來越突出。而 Rust 設(shè)計初衷就是為了解決內(nèi)存安全問題，在功能保持不變的情況下，用 Rust 語言進(jìn)行重寫相當(dāng)于將安全性提升三倍左右。此外，Linux 內(nèi)核對代碼執(zhí)行效率要求較高，Rust 的執(zhí)行效率和 C/C++ 近乎一致，這也是其能成為底層系統(tǒng)編程語言的原因之一。

當(dāng)前，Rust for Linux 還處于早期階段。長期以來，Linux 內(nèi)核主線代碼基本都由 C/C++ 語言編寫，接受 Rust 需要社區(qū)補(bǔ)充和完善大量的周邊工作。

同時，對于內(nèi)核維護(hù)者來說，Rust 進(jìn)入 Linux 內(nèi)核也會帶來一些問題。

首先，沒有銀彈。雖然 Rust 語言在設(shè)計上更多地考慮了內(nèi)存安全、線程安全等，但代價是比較陡峭的學(xué)習(xí)曲線，以及使用者在實現(xiàn)某些功能時的便利性。此外，內(nèi)核是貼近硬件、最底層的程序，某些在用戶態(tài)司空見慣的語言特性，比如異常的處理方式，在內(nèi)核里是不一樣的。對于 Rust 而言，如何在內(nèi)核里更好地工作，還有很大的探索空間。

其次，計算機(jī)語言和自然語言一樣，都能反映出文化。C/C++ 語言反映出來的文化和 Rust 不同，對于那些已經(jīng)非常熟悉并深度認(rèn)同 C/C++ 語言文化的資深 Linux 內(nèi)核維護(hù)者來說，接受 Rust 的難度較高。

對于 Rust for Linux 的未來發(fā)展，多數(shù)專家都給出了積極評價：“從長遠(yuǎn)看，會有越來越多新的代碼用 Rust 來實現(xiàn)。”

eBPF 時代來臨

eBPF 的全稱是“擴(kuò)展型伯克利封包過濾器（Extended Berkeley Packet Filter）”，最早是從 BPF (Berkeley Packet Filter) 技術(shù)擴(kuò)展而來，是一種無需更改 Linux 內(nèi)核代碼，便能讓程序在內(nèi)核中運(yùn)行的技術(shù)。

2014 年，eBPF 首次出現(xiàn)在 Linux 內(nèi)核中。經(jīng)過社區(qū)不斷迭代，目前，eBPF 技術(shù)已經(jīng)非常成熟，技術(shù)應(yīng)用呈現(xiàn)井噴現(xiàn)象。雖然在設(shè)計之初 eBPF 僅為 Linux 內(nèi)核服務(wù)，但近年來已經(jīng)誕生了一批基于 eBPF 的項目。2021 年 5 月，微軟啟動了新的開源項目 eBPF for Windows，該項目旨在讓開發(fā)者在現(xiàn)有 Windows 版本之上使用熟悉的 eBPF 工具鏈和應(yīng)用編程接口（API）。為了更好地推動 eBPF 的發(fā)展，2021 年 8 月 12 日，Linux 基金會旗下的非營利性組織 eBPF 基金會正式成立。

2022 年，eBPF 熱度不減，仍是當(dāng)下最火的技術(shù)之一。eBPF 技術(shù)帶來的收益明顯，一方面，包括 Linux、Windows 在內(nèi)的主流操作系統(tǒng)內(nèi)核是宏內(nèi)核，可拓展性較差，而 eBPF 技術(shù)能夠以非侵入式的方式對內(nèi)核進(jìn)行擴(kuò)展；另一方面，eBPF 提供了比較好的安全性、擴(kuò)展性和兼容性。

不少受訪專家對 InfoQ 表示，eBPF 的發(fā)展前景廣闊，屬于 eBPF 的時代已經(jīng)來臨。

“eBPF 技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)超出了我的預(yù)期。操作系統(tǒng)內(nèi)核在沒有應(yīng)用 eBPF 技術(shù)以前，整個內(nèi)核是靜態(tài)的，編寫內(nèi)核時實現(xiàn)了什么功能，運(yùn)行時也只有這些功能，最多可以做一些參數(shù)的調(diào)整，但無法帶來更復(fù)雜的功能變化。應(yīng)用 eBPF 技術(shù)以后，可以在 Linux 內(nèi)核中運(yùn)行沙盒程序，編譯成相關(guān)字節(jié)碼加載到內(nèi)核中，無需更改內(nèi)核源代碼或加載內(nèi)核模塊。”有受訪專家表示，eBPF 技術(shù)為操作系統(tǒng)內(nèi)核提供了一個新的可能性，為內(nèi)核帶來根本性的改變。

對于 eBPF 的未來，eBPF summit 2022 《The future of eBPF in the Linux Kernel》給出了幾個演進(jìn)方向：

更完備的編程能力：當(dāng)前 eBPF 的編程能力存在一些局限性（比如不支持變量邊界的循環(huán)，指令數(shù)量受限等），演進(jìn)目標(biāo)是提供圖靈完備的編程能力；

更強(qiáng)的安全性：支持類型安全，增強(qiáng)運(yùn)行時 Verifier，演進(jìn)目標(biāo)是提供媲美 Rust 的安全編程能力；

更廣泛的移植能力：增強(qiáng) CO-RE，加強(qiáng) Helper 接口可移植能力，實現(xiàn)跨體系、平臺的移植能力；

更強(qiáng)的可編程能力：支持訪問 / 修改內(nèi)核任意參數(shù)、返回值，實現(xiàn)更強(qiáng)的內(nèi)核編程能力。

擁抱 RISC-V

近幾年，RISC-V 以其開放的指令集架構(gòu)受到越來越多操作系統(tǒng)廠商和開發(fā)者的青睞，不少操作系統(tǒng)開始擁抱 RISC-V，并成為一種新興趨勢。Semico Research 預(yù)測，到 2025 年，RISC-V 市場規(guī)模將超 10 億美元。

國外包括英特爾、蘋果、Tenstorrent、瑞薩電子等多個廠商都在積極布局 RISC-V。2022 年 2 月，英特爾宣布加入 RISC-V International 基金會，正式成為該基金會第 19 個高級會員，并設(shè)立了 10 億美元的 IFS 基金，用于幫助初創(chuàng)和成熟企業(yè)進(jìn)行代工生態(tài)的創(chuàng)新，其中很大一部分用于 RISC-V；9 月，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分析機(jī)構(gòu) SemiAnalysis 稱，蘋果正在將其嵌入式內(nèi)核將全面轉(zhuǎn)移到 RISC-V 架構(gòu)；同月，任職于 Tenstorrent 負(fù)責(zé) RISC-V 架構(gòu)的傳奇芯片設(shè)計師 Jim Keller 喊出了“未來是屬于 RISC-V 的”口號。

在 2022 RISC-V 國際峰會上，RISC-V 基金會首席執(zhí)行官 Calista Redmond 表示，“我們 2022 年的愿景是讓 RISC-V 無處不在，隨著 RISC-V 在汽車、航空航天、數(shù)據(jù)中心以及消費(fèi)設(shè)備等各個領(lǐng)域的采用和開發(fā)，這一愿景已經(jīng)真正實現(xiàn)”。

目前，RISC-V 國際基金會在 70 個國家 / 地區(qū)擁有超過 3180 名會員，覆蓋芯片廠商、芯片設(shè)計服務(wù)公司、軟件提供商等軟硬件公司，以及大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和投資機(jī)構(gòu)等。市場上有超過 100 億個 RISC-V 核心，全球有數(shù)萬名工程師致力于 RISC-V 計劃。

國內(nèi)方面，自 2018 年成立中國 RISC-V 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟以來，四年間已有 150 多家會員單位。包括華為海思、阿里平頭哥、紫光展銳、兆易創(chuàng)新在內(nèi)的多家芯片廠商基于 RISC-V 架構(gòu)開發(fā)產(chǎn)品，越來越多的操作系統(tǒng)廠商和社區(qū)開始擁抱 RISC-V。2020 年 4 月，中科院軟件所牽頭成立了 openEuler 社區(qū) RISC-V SIG 組。

2022 年 8 月，阿里平頭哥發(fā)布首個高性能 RISC-V 芯片平臺“無劍 600”及 SoC 原型“曳影 1520”；同月，阿里云、中科院軟件所 PLCT 實驗室、平頭哥等在龍蜥社區(qū)成立 RISC-V 架構(gòu)聯(lián)合小組，全面兼容并促進(jìn) RISC-V 生態(tài)發(fā)展；同月，OpenCloudOS 社區(qū)推出 OCKS 2207.2 內(nèi)核版本，增加對 RISC-V 64 架構(gòu)的支持；11 月，deepin 社區(qū)宣布支持曳影 1520，deepin V23 已經(jīng)啟動與曳影 1520 平臺的適配；12 月，中科院軟件所基于 openEuler 打造的傲來操作系統(tǒng)宣布進(jìn)入 2.0 階段，最新發(fā)布的“傲來 2.0-RV”聚焦 RISC-V 指令集，提供模擬器、硬件板卡等多種運(yùn)行環(huán)境，其中硬件板卡支持中科院香山、果殼系列，支持哪吒 D1 開發(fā)板、賽昉 VisionFive 單板機(jī)、SiFive 公司 Unmatched 系列，同時也集成了澎峰科技的并行計算庫。移動操作系統(tǒng)方面，2022 年，OpenHarmony 新增了對 3 款 RISC-V 芯片的支持，包括 TLSR9518、HPM6750IVM1 以及 BK7235。

從生態(tài)繁榮程度上來看，RISC-V 生態(tài)正處于增長關(guān)鍵期。當(dāng)前，RISC-V 的生態(tài)建設(shè)有很多基礎(chǔ)性工作需要做，比如硬件需要更加成熟和規(guī)范，軟件（主要是在內(nèi)核層面）需要與硬件配合得更好，以及功能更加完善，這些都需要內(nèi)核開發(fā)者們合作完成。“我們的經(jīng)驗就是 Upstream First，即任何工作都首先貢獻(xiàn)到上游社區(qū)，與所有的生態(tài)合作伙伴一起，完善這個生態(tài)。”受訪專家總結(jié)道。