Apple版 - Mac OS X 背后的故事（三）Mach之父Avie Tevanian |
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a****a
发帖数: 5763 | 1 1975年，美国罗彻斯特大学纽约分校，一组研究员正在做一个名为RIG（Rochester’s
Intelligent Gateway）的项目，它由Jerry Feldman主持设计。RIG的目标是给所有本
地以及远端的计算设备（比如磁盘、列印机、磁带、绘图机等）提供一组统一的访问方
式，其作业系统称为Aleph。为了实现所需要的功能，Aleph的内核主要构建了一个进程
交互（Interprocess Communication，IPC）的机制。RIG的各进程，只要设置了目标端
口，就可以彼此间发送信息。RIG项目没过几年就被判了死刑，主要是缺少很多有用的
功能，比如端口没有保护机制，一次最多只能发送2KB大小的信息（受硬件限制），也
没有很好的网络支持等。不过在20世纪70年代，这个系统依然代表着当时作业系统设计
的先进水平，比如除了进程交互外，每个进程还有内存保护的功能，这足以让20世纪90
年代末都没有做出内存保护技术的Apple公司汗颜。
该项目后来失败了，随后在1979年，RIG的Richard Rashid博士毕业到卡内基-梅隆大学
当教授，开始做Accent项目。它是一个网络作业系统，于1981年4月开始活跃开发。受
RIG的影响，Accent系统的亮点也在于可以使用IPC，而且解决了很多RIG的不足。比如
每个进程有4GB的虚拟内存空间，而且甚至连内核自已都可以被存入缓存页面，内存有
先进的更新前拷贝（Copy-on-Write）功能，可以实现进程间大信息的传送等。读者可
以把Accent理解为支持虚拟内存技术，并且具有网络透明IPC功能的RIG内核。
但过了几年，开发者们越来越对Accent失去兴趣。在1980年初，很多人觉得多核计算是
计算机未来发展的潮流，但Accent内核在设计时并没有考虑到这些问题。而且，随着许
多实验室纷纷购置性能更强劲的计算机，这就意味着Accent需要移植到新的目标架构上
。此外，Unix正大行其道，不管是在作业系统理论上还是在用户程序上，都成为最为流
行的作业系统模式，而Accent并不是一个Unix系统，所以无法享受Unix世界的诸多美好
。为了解决这个问题，研究人员决定把所有设计推翻重来，于是就有了一个全新的系统。
在匹兹堡的一个雨天，卡内基-梅隆大学的Avie Tevanian，此系统的最主要开发者，正
打着伞和同学们在去吃午饭的路上。他们一边绕着无数的泥塘，一边构思给这个新系统
取什么名字好。灵感突来，Avadis Tevanian建议把这个系统叫作Muck，引得同学们哈
哈大笑。后来，Richard Rashid和一位意大利同事Dario Giuse说起这玩笑，结果这位
同事不经意地把Muck发为Mach，遂把Richard Rashid笑翻，伟大的Mach系统因此得名。
Mach是一个受Accent启发而搞出的Unix兼容系统。那年，Unix已经十六岁，而且依然是
作业系统理论与实践开发的主要阵地。Unix内核由于新加入的功能越来越多，变得越来
越复杂。而Mach的一个主要目标就是尽量缩减Unix的各项服务，以使内核变得简单可维
护。此项目从1984年开始，目标主要是包含完整的多任务支援、良好的硬件移植性，并
要把大量服务移出内核作为跑在内核上的服务，以及提供与Unix的兼容性。
Mach使用纯C编写，所以在一定程度上保证了可移植性，这事实上为后面的NeXT向
PowerPC移植以及2005年的向Intel移植提供了很重要的前提。而为了缩减内核该管的任
务，Mach做得很绝，只提供内存和处理器管理。类似于档案系统、网络、输入输出等功
能都作为单个的系统进程，独立执行于内核之上。Mach的开发过程以4.3BSD作为起点，
以RIG的Accent作为参考，采纳DEC的虚拟内存设计思路，逐步开发，以新写的代码代替
BSD的代码。两年后的1986年，虽然没能把系统服务完全分离于内核之外，但已颇见成
效。Mach第一版大功告成，组员发表会议论文，成为操作系统史上里程碑式的经典，引
发操作系统业界的“微内核”学潮，如今学习作业系统设计的皆需学习此文，二十五年
来被引用一千二百余次。
这篇文章主要讲了两方面内容：IPC和虚拟内存。在IPC方面，Mach把复杂的消息传送机
制分为四个独立的清晰概念—任务、线程、端口、信息。任务是拥有一组系统资源的对
象，允许线程在其中执行；线程是执行的基本单位，拥有一个任务的上下文，并且共享
任务中的资源。
由于该论文的影响力，所以项目得到了OSF（Open Software Foundation）在内的很多
投资。当然了，学术和工程永远存在差距，所以即使是最受欢迎的Mach 2.5其实仍然是
一个包括大多数BSD服务层的单内核。但包括NeXTSTEP、OSF/1在内的很多操作系统都采
用Mach作为其内核技术，原因是广大研究人员依然相信微内核代表着未来。虽然Mach 2
.5的效率比传统的Unix系统稍低一些，但研究者们表示情绪淡定，因为Mach支持多处理
器系统，可以利用多线程把任务处理得飞快，相比之下其他Unix内核并没有多处理器的
完善支援，因此Mach效率稍低完全可以接受。但随着真正把Mach和BSD服务完全脱离的
Mach 3微内核面世，研究人员们的情绪就再也淡定不起来了。因为服务和内核分离后，
任务间的IPC数量暴涨，一个简单的Unix系统调用要涉及到十多个开端口、设权限、发
送、收取消息的操作，哪怕是使用数年后的1997年的硬件，跑一个系统调用密集的程序
，Mach的效率要比一般的Unix系统慢50%，而且根本没有什么好方法来解决这个问题。
所以Mach 3出来后，虽有少数微内核信徒继续执著地改进Mach，或者开始其他微内核比
如L4的研究。但学术界对Mach的兴趣大减，因而Mach 3也成为最后一版。项目解散后，
Richard Rashid去了微软研究院。
再说我们的主角Avie Tevanian，他1987年博士毕业去了NeXT。这家公司刚刚由Steve
Jobs成立两年，这两年Steve Jobs啥正经事都没干，只是花了十万美元雇Paul Rand设
计了一个公司商标。直到Avie Tevanian加入后，这个公司才开始干实事。1987年公司
确认要开发一个面向研究人员使用的计算机工作站，于是软硬件的开发工作紧锣密鼓地
展开。硬件组由领导过Apple Lisa的Rich Page原班人马负责，而软件则由Avie
Tevanian负责，计划开发一个有图形界面的操作系统NeXTSTEP。由于Avie Tevanian是
Mach主要的开发者，自然NeXTSTEP就基于Mach了。1988年10月12日，NeXT发布预览版（
0.8版），并于1989年9月18日发布1.0版（注：http://en.wikipedia.org/wiki/NeXTSTEP）。
作为NeXTSTEP系统的内核，NeXT分支的Mach经历了不少变化。NeXTSTEP 0.8主要使用
Mach 2.0版，而稍后的NeXTSTEP 1.0版主要基于Mach 2.5版，包含一个自己定制的当时
最新的4.3BSD服务层。从3.1版开始，NeXT分支的Mach还包括一个全新的设备驱动框架,
名为Driver Kit，仅供x86系列的硬件使用。和Mach以及BSD代码不同，Driver Kit是
使用Objective-C写的。为什么是一个面向对象的语言呢？看NeXTSTEP 3.3的DriverKit
文档。读者大概就会发现，NeXTSTEP把所有硬件设备理解为对象，而我们知道，对象之
间有继承关系，比如，磁盘（IODisk物件）属于输入输出设备（IODevice物件）的子物
件，而磁盘（IODisk）本身又是逻辑磁盘（IOLogicalDisk）的父物件。硬件的初始化
对应于每个物件的初始化（init方法），硬件又有读、写，所以可以用getter/setter
的方法。因此，DriverKit是一个非常有特色的实现。而且由于Objective-C的效率很高
，依赖很少（Objective-C程序可以直接被编译器翻译成等价的C语言程序并编译，而
Objective-C的运行库libobjc也以高效著称），所以也是编写驱动的良好选择。几年后
的IOKit其实就是个DriverKit的翻版。
这时，NeXTSTEP操作系统大获成功，风险投资商们纷纷购买，但硬件却始终卖不出去（
注：Aaron Hillegass《Cocoa Programming for Mac OS X》前言），所以NeXT砍掉了
硬件部门专做软件，更是使NeXTSTEP发展到了巅峰时期，同时支持68K、x86、PA-RISC
和SPARC等硬件，但颇有意味的是它就是不支持PowerPC架构。它可以同时产生一个包含
所有架构可执行码的二进制文件，来使开发的程序在所有平台上执行。这个功能也影响
了后来Mac OS X的技术。Mac OS X 10.4时代有两件跨时代意义的事情，一件是Apple搞
出了64位的Power Mac，开发者可以发布一个包含64位和32位程序的单一可执行文件，
而无需让用户去区分；另一件是和Intel合作。Apple正式发表了Universal Binary技术
，可以一个Mach-O文件同时包含Intel和PowerPC的指令。这非常贴心的设计（要知道，
大多数电脑用户根本不知道Intel、PowerPC、64位、32位等技术）就是来自于Mach的技
术。
NeXTSTEP 3.3后，NeXTSTEP因为NeXT和Sun的合作改名为OPENSTEP，1996年发布4.0版，
到1997年2月4日，NeXT被Apple收购之前，期间内核改进除源码同步到Mach 3.0版外不
明，而且出于不知道的原因，我手头的OPENSTEP正式版光盘中，居然找不到DriverKit
的发布说明和编程文档，故不作详述。不过这段时间，Apple的活动值得好好一说。之
前在《Linus Torvalds的短视》中，我们曾提到，1996年，Apple和OSF曾经合作，把
Mach移到PowerPC Mac上，再把Linux作为单一的服务跑在Mach上，这个项目叫做
MkLinux。在1996年发布基于Mach 3.0和Linux 1.3的预览版，并更新到2002年结束其历
史使命，对Mach在PowerPC的移植性上做出了重要贡献。这个PowerPC版的Mach被叫作
osfmk分支，也正是现在Mac OS X中用的分支。当然了，NeXT被合并后做了大量修改。
Apple收购NeXT后，Mach被确定作为未来的操作系统核心。Avie Tevanian被选为软件开
发部的总裁。合并所有项目的号角吹响后，上层的OpenStep API和老版Mac OS的部件开
始合并，而Mach也经历重大变化。主要是一方面，Mach使用了osfmk分支，但依然包含4
.3BSD服务；另一方面，DriverKit被IOKit取代。这是Apple走得很被动的一步。因为当
时外界普遍对Objective-C不看好，逼着Apple走老版Mac OS API的老路。而Apple自己
对Objective-C也很不自信，甚至想索性换用Java了事（我们以后会谈及这段不自信的
历史）。所以IOKit是一个C++的驱动架构，来符合大众口味。这些改变最早在Rhapsody
中出现（我们以后也会有一期Rhapsody的专题）。但由于C++是门很恐怖的语言，所以
Apple又把C++给阉割了，去掉了多重继承、模板、运行时动态以及异常，让开发者使用
这种对于Objective-C来说换汤不换药的Clean C++来做驱动。但公正地说，IOKit对于
Driver Kit是有不少改进的，比如IOKit可以写在用户空间跑的驱动（虽然大多仍是跑
在内核空间上的），因而驱动挂了而系统不会挂。另外IOKit考虑到了计算机发展的趋
势，所以在电源管理、即插即用、动态加载上做得更好。
但各位也知道，C++程序得用专门的运行库才能跑，所以Mach中又加入了一个叫作
libkern的库负责C++相关的功能，同时，还有一个libsa的库提供一些类似二分查找、
排序等基本算法之类的功能。最后和硬件相关的还有一个叫作pexpert（Platform
Expert）的库，负责收集硬件设备列表、检测机器种类（比如处理器速度等）、解析启
动参数等杂活。
至此，Mac OS X的内核完全形成，形成BSD、IOKit、Mach osfmk三足鼎立的态势，并有
pexpert、libkern、libsa作为基础。Apple称它的内核杰作为XNU。其代码开源，请读
者移步http://www.opensource.apple.com/source/xnu/xnu-123.5/，每个部分的代码都独立存放在一个文件夹中，条理清晰，不妨一读。
由于4.3BSD已是过眼烟云，Apple后来投入大量资源扶持FreeBSD开发。2001年，Apple
将FreeBSD的发起者、领军人物Jordan Hubbard收入麾下，并在Mac OS X 10.3时基本同
步到FreeBSD 5的代码（注：http://osxbook.com/book/bonus/ancient/whatismacosx/arch_xnu.html）。
另外，Apple 的开发也同时反馈到FreeBSD小组，包括FreeBSD 6.2 内核引入的 AUDIT
(man audit 或参见http://manpages.unixforum.co.uk/man-pages/unix/freebsd-6.2/4/audit-man-page.html)，后来 FreeBSD 8引入的 libdispatch （http://wiki.freebsd.org/GCD, 在Apple这项技术叫Grand Central Dispatch，是Mac OS X 10.6 主推的新功能，FreeBSD基本在 Mac OS X 10.6 上市的同时就拥有这项最新技术），以及 FreeBSD-CURRENT 中的 LLVM-Clang，全是Apple的手笔。从 1999 年开始，FreeBSD 源码仓库可以搜索到 Apple 提供的大量的补丁以及新功能。
Mac OS X早期版本不太稳定，所以会内核崩溃。10.0版本会直接像Linux或者BSD那样打
出回溯信息，很不美观，所以Apple在10.2版本开始设计了一个多国语言的图片告诉用
户你的内核崩溃了，以让内核崩得看起来更优雅一点。由于包含四国语言，被国内用户
戏称为“四国”（注：优雅的图片见http://support.apple.com/kb/ht1392），这是XNU的Mach osfmk部分的功能。但从10.3~10.4版本开始，系统越发稳定，正常使用已很少见到内核崩溃。而且，内核提供的服务也越来越多，使得Mac OS X成为一个完善的系统。
21世纪XNU架构方面的最重大改动是支持了PPC64（10.4版本时代）、x86架构（其实本
来也一直支持的，以后讲Apple的Intel迁移时详谈）、x86_64（64位支持是苹果长年努
力逐步展开的。10.4时代32位内核支持载入64位的用户程序，10.5系统提供64位的
Cocoa框架，但系统 大部分程序都是32位的，10.6时代内核支持以64位模式启动，但在
不少硬件上这是非默认的方式，但系统大量程序已被改写并编译为64位的二进制程序，
10.7时代内核默认以64位模式启动。）和ARM架构（iPhone和iPad使用XNU内核）等多个
新架构。
而其中ARM架构的支持别具意义。但2006年5月31日，功成名就的Avie Tevanian离开
Apple另谋发展，此时，离Apple的iPhone奇迹发生，只有不到一年时间。
作者王越，美国宾西法尼亚大学计算机系研究生，中国著名TeX开发者，非著名
OpenFOAM开发者。 |
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