谷歌新操作系統Fuchsia試用：不完善，但方向是對的

引言： 谷歌開發的新開源OS Fuchsia引發了很大的關註，但此前由於信息不足，我們只能對這個系統的具體用途、背景信息以及架構做些猜測。本文對這個系統進行了較為詳細的介紹，並給出了可安裝的平臺和安裝方式，有興趣的開發者可以按部就班進行嘗試。本文翻譯已獲得原文作者Nur Hussein和英文網站的授權。

Fuchsia是谷歌開發的一個操作系統，這是一個差不多從頭研發的新系統。2016年8月，Fuchsia的開發新聞在技術新聞網站上引發了轟動，不過很多細節依舊成謎。Fuchsia是一個開源項目，無論開發工作還是相關的文檔都還在持續完善中，除了該項目為開源之外，谷歌並未透露更多信息，包括其真正用途。根據零散分布在網上的文檔、源碼等信息，我們可以推測：Fuchsia是一個專為PC、平板電腦及高端手機所開發的一套完整的操作系統。

在源碼庫中可以下載到Fuchsia的源碼及所有組件，如果諸位喜歡探索實驗性質的操作系統，可以嘗試一下這個系統——非常有趣。Fuchsia包含一個內核，其頂層是使用者空間（User Space）組件，負責提供Library及工具。源數據庫中，在Fuchsia目錄的下面有許多子項目，主要都是協助開發者創建應用的資料庫及工具項目。Fuchsia大部分使用三條款BSD許可證（3-clause BSD license）授權，不過其內核是基於另一個項目Little Kernel（LK）建立的，而後者使用了MIT許可證，因此其內核的授權協議是混合型的。Fuchsia中包含的第三方軟件都是根據其各自的開源許可證進行授權的。

Magenta

Fuchsia的核心是Magenta microkernel，它負責管理硬件，並為系統的使用者空間組件提供抽象層，類似於linux對GNU等項目的支持。而Magenta建立的基礎——Little Kernel則是Fuchasic的開發者Travis Geiselbrecht在加入谷歌前所研發的一個項目。LK的目標是要建立一個能夠運行在有限資源的微型嵌入式系統（類似於FreeRTOS或ThreadX）之上的小型內核，而Magenta則是針對更復雜些的硬件——想要允許的話，需要至少64 bit的CPU，配以一塊內存管理單元。因此，Magenta在LK的有限功能上進行了擴展，它使用了LK的“內部構造”，包含線程、互斥鎖、計時器、事件（信號）、等待隊列、信號及虛擬內存管理器（VMM）。在Magenta中，LK原本使用的VMM已經有了實質提升。

Magenta的一個關鍵設計在於運用了capability，這是一個計算機科學的抽象概念，封裝了訪問某個對象的權限。這一概念是1966年由Dennis和Van Horn首次提出的（點擊這裏查看原PDF），指的是一個不可偽造的數據結構，在操作系統中擔任控制訪問權限的基元。在Magenta中，開發人員使用了capability的模型，以定義某個進程與內核、與其他進程的互動方式。

具體實現中，Magenta采用了名為handle的構造，只要有進程請求創建內核對象，就會自動生成handle，用於處理與該內核對象的“會話”，幾乎所有系統調用都需要通過handle來實現。handle包含與其相關的權限，也就是說它們定義了在使用時允許哪些操作。此外，handle可以通過進程復制或轉移。可授予handle的權限包括讀寫相關核心對象的權限，只要是虛擬內存對象即可，無論能否被映射為可執行對象。對於沙盒中的特殊進程來說，handle非常有用。因為經過調整，handle可以設置為僅允許對系統的某個子集可見、可訪問。

由於我們將內存作為可通過核心對象訪問的資源，各個進程可通過handle來獲得對內存的應用。在Fuchsia中創建進程，代表著一個負責創建的進程（比如shell）必須手動為子進程完成創建虛擬內存對象的工作——這一點與傳統不同：在傳統的Unix類內核，比如Linux中，內核會完成大部分的虛擬內存設置，自動處理進程。Magenta的虛擬內存對象可通過多種方式來映射內存，而且在進程執行中靈活性很高。甚至可以想象完全不對內存做映射的場景，在此場景下，通過類似文件描述符之類的handle，也可以對系統進行讀寫。盡管這種設置允許任何類型的創造性使用，這也意味著想要運行進程，需要通過使用者空間的環境完成許多的基礎架構工作。

由於Magenta是按照微內核來設計的，操作系統的大多主要功能組件也是當作使用者空間進程來運行的，其中包含驅動程序、網絡堆棧以及文件系統。最初從IwIP引導的網絡堆棧最終被Fuchsia團隊所編寫的用戶網絡堆棧所取代。網絡堆棧是一個中間性應用，簡於使用者空間的網絡驅動，以及需要網絡服務的應用之間，通過網絡堆棧，系統提供了一個BSD socket API。

默認的Fuchsia文件系統被稱為minfs，也是從零開發的。驅動管理器創建了根文件系統內存，為其它安裝在下面的文件系統提供虛擬文件系統層（VFS）。然而，由於文件系統是作為使用者空間的服務器來運行的，需通過服務器的相應協議來訪問。文件系統中的各個實例都包含後臺運行的服務器，以處理所有的數據訪問。借助使用者空間的C library，對於只進行調用以開關、讀寫文件的用戶程序來說，協議都是透明的。

Fuchsia的圖形驅動程序也作為使用者空間的服務存在，按照邏輯分為系統驅動以及應用驅動。兩者之間促進溝通的軟件層被稱為Magma，是一個提供合成與緩沖區共享的框架。繪圖堆棧的某部分即Escher，這是一個基於物理的渲染器，通過Vulkan來提供渲染API。

完整的POSIX兼容並非Fuchsia項目的目標，足夠的POSIX兼容性可通過C library來提供，C庫也是musl項目連接Fuchsia的端口。這樣一來，將Linux程序移植到Fuchsia系統會比較方便，但本身運行在Linux平臺上的復雜程序自然需要更多的工作。

實踐嘗試

可按照本文檔中的指南獲取自己的Fuchsia安裝程序並運行，方法十分簡單。該腳本設置了一個QEMU實例，大家可自行嘗試。它可以在模擬x86-64系統的q35或“標準PC“的機器上，以及模擬ARM-64系統的virt或Qemu ARM-64虛擬機上運行，也可以在真機上運行。可按照指南來安裝，針對機型包括配有Intel Skylake的Acer Switch 12寸筆記本、Broadwell超迷你電腦NUC（next unit of computing）以及Raspberry Pi 3。就目前來說，雖然通過兼容外設也能在類似的硬件上運行，但對這三款機器的物理硬件支持也十分有限。

目前，針對Fuchsia系統編寫應用的支持還不充分，還需要很長時間的開發和文檔構建。據了解，谷歌的Dart編程語言在該系統中有著廣泛應用，而基於Dart、針對iOS和android的移動應用框架Flutter的SDK就被移植到了這個系統中，似乎是創建圖形應用程序的主要方式之一。負責窗口繪制以及用戶輸入的compositor叫做Mozart，基本上相當於Linux上的Wayland/weston。

當引導Fuchsia OS進入圖形模式時，我們可以看到在帶有選項卡的圖形環境中包含了五個dash shell。第一個標簽展示的是系統消息，後面三個是可以在Fuchsia環境中啟動應用程序的shell。最後一個標簽是Magenta shell，裏面的內容更為基礎簡單，由於缺少Fuchsia環境，無法通過它來運行圖形應用。標簽可以通過Alt-Tab來切換。

目前這套操作系統能夠運行的程序並不多，用戶組件的大多內容仍在積極地開發中。可以運行的案例應用包括一些命令行程序，比如經典的Unix fortune，還有一個能在屏幕上繪制旋轉方塊的圖形應用，叫做spinning_square_view。盡管目前來說內容確實有限，不過敬請持續關註Fuchsia的資源庫，開發者正在積極更新，以便讓這個系統功能更加豐富。相信很快就有更多功能可以嘗試。

結論

看到有新的操作系統出現，並且還需要很多開發工作才能逐漸完善，並投入使用總是頗有趣味。Fuchsia還不完善，但目前看來發展的方向是正確的。由於谷歌在這個項目中投入了許多資源，目前針對Magenta以及其它Fuchsia組件的開發都非常活躍。對大眾來說，所有承諾的功能都是能夠實現的。不過目前信息還不夠，想要了解項目的確切方向也有些困難。敬請大家關註這個新的開源項目，相信很快就有更多內容填充進來。

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