Какой язык использовался для написания операционной системы windows

Время прочтения
11 мин

Просмотры 59K

Несколько дней назад в сеть просочился образ ранней версии Windows 11. Различные издательства провели тесты по производительности и пришли к неутешительному выводу: Windows 11 в среднем работает хуже, чем Windows 10. Но расстраиваться рано! Проблемы производительности могут быть связаны с «сыростью» слитого образа и нюансами совместимости с текущими программами. Так или иначе, 24 июня состоится официальная презентация нового поколения операционных систем Windows, которая, возможно, даст ответы на многие вопросы. Если сегодня у вас есть настроение для ностальгии, предлагаем вам окунуться в мир Windows: познакомиться с историей, как менялась ось и что у нее внутри.

История Windows

В начале 80 годов прошлого века компания IBM работала над персональным компьютером на базе процессора Intel 8088. С середины 70 годов компания Microsoft была основным поставщиком Basic для восьмибитных микрокомпьютеров. Когда IBM обратилась к Microsoft для лицензирования Basic для их нового компьютера IBM PC, Microsoft согласилась, а также посоветовала обратиться к компании Digital Research для лицензирования операционной системы CP/M. Но, получилось так, что глава Digital Research не нашел в своем графике времени для встречи для IBM, и IBM снова обратилась к Microsoft, теперь уже с просьбой решить вопрос операционной системы для IBM PC. Microsoft купила клон ОС CP/M у компании Seattle Computer Products и перенесла её на IBM PC. Итоговым названием получившейся ОС стало MS-DOS 1.0.

IBM PC

Первые продукты с названием «Windows» от Microsoft не были операционными системами. Это были графические среды для MS-DOS. На фоне успеха, в том числе и коммерческого, пользовательского интерфейса на Apple Lisa, компания решила реализовать графический интерфейс на IBM PC с MS-DOS. В отличии от относительно дешевых IBM PC, Apple Lisa стоили дорого (почти 10 тысяч долларов), и немногие покупатели могли позволить купить их. Microsoft решила занять нишу дешевых компьютеров с графическим интерфейсом. При этом низкая стоимость достигалась экономией на комплектующих и более низкая производительность, по сравнению с Lisa, избежать не получилось. Так, в 1985, 1987 и в 1990 выходят первые три версии Windows — 1.0, 2.0 и 3.0. Причем за первые шесть месяцев после релиза Windows 3.0 было продано более 1 миллиона экземпляров. Дальнейшее развитие Windows можно разделить на два направления — Windows на базе MS-DOS и Windows на базе NT.

Windows 1.01

Windows 9x

Windows на базе MS-DOS или Windows 9x не были первыми ОС от Microsoft, но они продолжали «старые традиции» и были построены на основе 16-битного кода MS-DOS. В августе 1995 года была выпущена Windows 95 — первая система семейства Windows 9x. Она уже была полноценной операционной системой с соответствующими возможностями.  Однако у системы были проблемы с безопасностью (например, не было «администратора») и с изоляцией приложений. Зависание 16-битного приложения приводило к блокировке всей системы. Проблемы со стабильностью достались и Windows 98 и Windows ME, которые отличались от выпуска 95 года рядом небольших обновлений.

Windows 95

Windows NT

В целом, к концу 80-х годов в Microsoft появилось понимание о необходимости разработки операционной системы не на базе MS-DOS. Параллельно с разработкой софта, связанного с MS-DOS, Microsoft наняла команду инженеров из компании DEC для разработки новой 32-битной операционной системы. Главой группы стал Дэйв Катлер — один из главных разработчиков ОС VMS. Новая система была названа NT — от сокращения New Technology. Основной упор при разработке NT делался на безопасность и надежность системы, а также на совместимость с Windows на MS-DOS. Так получилось, что опыт при разработке VMS повлиял на NT и сходство между ними стало причиной спора между DEC и Microsoft. По итогу спор был решен во внесудебном порядке. 

Дэйв Катлер

Первая система Windows называлась Windows NT 3.1 и была выпущена в 1993 году. Это была первая ОС от Microsoft. Индекс 3.1 был выбран для соответствия Windows 3.1 на MS-DOS. Эта версия не имела особого успеха. Для NT требовалось больше памяти, 32-разрядных приложений на рынке было мало, возникали проблемы с совместимостью драйвером. Достичь поставленных целей смогли в NT 3.5. А первым серьезным обновлением для NT стала версия 4.0 в 96 году. Теперь эта система была мощна, надежна и безопасна, а также обеспечивала тот же интерфейс, что и Windows 95 (которая к тому моменту была чрезвычайно популярной). 

Windows NT 3.1

В 2000 году вышла новая версия Windows — Windows 2000. Она развивала идеи, заложенные в системы NT. Был добавлена технология Plug-and-Play, управление электропитанием и улучшен интерфейс пользователя. 

Windows 2000

Успех Windows 2000 задал вектор развития для следующего поколения — Windows XP. В «хрюшке» Microsoft улучшила совместимость, интерфейс стал более дружелюбным. Стратегия Microsoft завоевывать аудиторию уже знакомыми системами дала плоды — за несколько лет Windows XP была установлена на сотнях миллионах ПК. Эпоха MS-DOS подошла к концу.

Windows XP

Следующий проект Microsoft пал жертвой собственных амбиций. Через пять лет после Windows XP, в 2006 году на свет вышла Windows Vista. В ней был переделан графический интерфейс, переработаны и добавлены функциональные возможности в плане безопасности. Была улучшена производительность, надежность.

Первоначальные планы Microsoft по поводу Vista были настолько обширны, что через несколько лет после начала разработки проект пришлось сильно ограничить. Vista включала в себе 70 миллионов строк кода, часть которого составлял «причесанный» код XP. Неудача Vista отчасти с тем, что она вышла не в то время. На 2006 год пришелся бум недорогих компьютеров, которые не могли обеспечить достаточную для Vista производительность. 

Windows Vista

Проблемы Vista были учтены при разработке Windows 7. Microsoft уделила большее внимание тестированию и производительности новой системы. Windows 7 быстро вытеснила Vista, а затем и XP, став самой популярной версией Windows до появления Windows 10 (сейчас Windows 7 на втором месте по популярности).

Windows 7

Бум смартфонов в начале 2010-х подтолкнул Microsoft к созданию операционной системы, которую можно было бы развернуть на разных устройствах: на телефонах, планшетах, приставках и т. д. В результате этой работы мир узрел Windows 8. «Восьмерка» построена на модульном подходе MinWin для получения небольшого ядра ОС, которое можно было бы расширить на линейку других типов устройств. Но аудитория встретила холодно такой подход. Многие люди критиковали «смартфоноподобный» интерфейс на ПК, отсутствие кнопки пуск. Для решения многих проблем Microsoft выпустила обновление под названием Windows 8.1, которая, помимо исправления имеющихся ошибок, добавила новые функции. 

Windows 8.1

И вот, к 2015 году Microsoft выпускает Windows 10. При разработке Microsoft продолжала развитие идеи единой системы для разных устройств. В «десятке» появилась голосовая помощница Кортана, вернули меню «Пуск», улучшена системная безопасность. 

Технические аспекты

Чтобы осветить все технические аспекты и тонкости операционной системы Windows понадобится не менее 1000 страниц. Для особо любопытных советуем 7-е издание «Внутреннего устройства Windows« Марка Руссиновича, специалиста по внутреннему устройству Windows. Также можно почитать «Современные операционные системы« Эндрю Таненбаума и «Operating System Concepts«: в обеих книгах есть главы, посвященные Windows. Здесь же ограничимся рассмотрением инструментов взаимодействия приложений пользователя с операционной системой (Windows API) и архитектуры «оси». 

Архитектура 

Во многих многопользовательских операционных системах сама ОС отделяется от приложений. Код ядра ОС выполняется в привилегированном режиме процессора (режим ядра). Для него доступны системные данные и оборудование. В непривилегированном режиме (пользовательский режим) выполняется код приложений. Ему предоставляется ограниченный набор интерфейсов и ограниченный доступ к системным данным. Прямой доступ к оборудованию заблокирован. При вызове программой пользовательского режима системной функции процессор выполняет специальную команду, переключающую вызывающий поток (последовательность команд внутри процесса, планируемая Windows для исполнения) в режим ядра. Когда системная функция завершается, операционная система переключает контекст потока обратно в пользовательский режим и дает возможность вызывающей стороне продолжить работу. 

Windows считается операционной системой с гибридным ядром. С одной стороны компоненты ядра Windows располагаются в вытесняемой памяти и взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений, как в микроядерных системах. С другой стороны ядро слишком велико (более 1 Мбайт), а большая часть кода ОС и кода драйверов устройств использует одно защищенное пространство памяти защищенного режима, что свойственно монолитным ОС. Это означает, что в теории любой компонент ОС или драйвер устройства может повредить данные, используемые другими системными компонентами. В Windows эта проблема решается за счет повышения качества и контроля происхождения сторонних драйверов через такие программы, как WHQL или KMCS. Одновременно применяются дополнительные технологии защиты ядра, такие как безопасность на базе виртуализации, функции Device Guard.

Рассмотрим ключевые системные компоненты, формирующие архитектуру системы. На рисунке ниже представлена упрощенная схема, на которой опущены некоторые элементы, например, сетевые компоненты и различные уровни драйверов. Первое, на что стоит обратить внимание — это линия, разделяющая части пользовательского режима и режима ядра. Как упоминалось выше, потоки пользовательского режима выполняются в закрытом адресном пространстве процессов. На время выполнения в режиме ядра они получают доступ к системному пространству. Таким образом, системные процессы, пользовательские процессы, процессы служб и подсистемы среды обладают собственным закрытыми адресными пространствами. 

Упрощенная схема архитектуры Windows

Вторая линия разделяет компоненты режима ядра и гипервизор (Hyper-V). Гипервизор перехватывает многие привилегированные операции, выполняемые ядром, и эмулирует их таким образом, чтобы позволить на одной и той же машине одновременно работать нескольким операционными системам. Гипервизор работает на том же уровне привилегий процессора (0), что и ядро. Но из-за использования специализированных команд процессора (VT-x у процессоров Intel, SVM у АMD) он может изолироваться от ядра с сохранением контроля над ним и приложениями. Поэтому некоторые иногда применяют термин «кольцо -1».

Четыре базовых типа процессов пользовательского режима:

• Пользовательские процессы. Эти процессы относятся к одному из следующих типов: 32- или 64-разрядные приложения Windows (приложения Windows Apps, работающие на базе среды Windows Runtime в Windows 8 и выше, включаются в эту категорию), 16-разрядные приложения Windows 3.1, 16-разрядные приложения MS-DOS, 32- и 64-разрядные приложения POSIX. Заметим, что 16-разрядные приложения могут выполняться только в 32-разрядных версиях Windows, а приложения POSIX в Windows 8 уже не поддерживаются. 
• Процессы служб. В эту категорию входят процессы, являющиеся хостами для служб Windows (например, службы планировщика задач и диспетчер печати). Обычно к службам предъявляется требование независимости выполнения от входа пользователя. Многие серверные приложения Windows (например, Microsoft SQL Server и Microsoft Exchange Server) также включают компоненты, выполняемые как службы.
• Системные процессы. Фиксированные процессы, такие как процесс входа или диспетчер сеансов, не являются службами Windows. Другими словами, они не запускаются диспетчером служб.
• Серверные процессы подсистем среды. Такие процессы реализуют часть поддержки среды ОС, предоставляемой пользователю и программисту. Изначально в Windows NT было три подсистемы среды: Windows, POSIX и OS/2. Подсистема OS/2 включалась только до Windows 2000, подсистема POSIX в последний раз была включена в Windows XP.Ultimate- и Enterprise-выпуски клиента Windows 7. Все серверные версии Windows 2008 R2 включают поддержку расширенной подсистемы POSIX, называемой SUA (Subsystem for UNIX-based Applications). Сейчас подсистема SUA не поддерживается и уже не включается как необязательное часть в версии Windows (Windows 10 версии 1607 включает подсистему Windows для Linux — WSL, Windows Subsystem for Linux).

Обратим внимание на блок DLL подсистем под блоками Процессы служб и Пользовательские процессы. В Windows пользовательские приложения не вызывают низкоуровневые сервисные функции операционной системы напрямую. Вместо этого они проходят через одну или несколько динамических библиотек (DLL) подсистем. Их роль состоит в том, чтобы преобразовывать документированные функции в соответствующие внутренние (недокументированные) вызовы системных функций, реализованных в основном в Ntdll.dll. Преобразование может включать (а может не включать) отправку сообщения процессу, обслуживающему пользовательский процесс.

Компоненты режима ядра:

• Исполнительная система. Она содержит базовые сервисные функции ОС: управление памятью, управление процессами и потоками, безопасность, ввод/вывод, сетевая поддержка и межпроцессные коммуникации.
• Ядро Windows. Низкоуровневые функции ОС: планирование потоков, диспетчеризация прерываний и исключений и многопроцессорная синхронизация. Также ядро предоставляет набор функций и базовых объектов, которые используются исполнительной системой для реализации высокоуровневых конструкций.
• Драйверы устройств. Сюда входят как драйверы физических устройств, преобразующие вызовы пользовательских функций ввода/вывода в конкретные запросы ввода/вывода к устройству, так и драйверы устройств, не относящихся к физическому оборудованию, например драйверы файловой системы или сетевые драйверы. 
• Слой абстрагирования оборудования (HAL). Прослойка кода, изолирующее ядро, драйверы устройств и прочий исполняемый код Windows от платформенно-зависимых различий в работе оборудования, например различий между системными платами.
• Оконная и графическая система. Реализация функций графического интерфейса (GUI), также известных как функции GDI: работа с окнами, элементы пользовательского интерфейса и графический вывод.
• Уровень гипервизора. Включает всего-навсего один компонент: сам гипервизор. В этой среде нет ни драйверов, ни других модулей. При этом сам гипервизор состоит из нескольких внутренних уровней и служб: собственный диспетчер памяти, планировщик виртуальных процессов, управление прерываниями и таймером, функции синхронизации, разделы (экземпляры виртуальных машин) и внутрипроцессные коммуникации (IPC, Inter-Process Communication) и многие другие.

В таблице ниже представлены некоторые файлы некоторых базовых компонентов Windows:

Windows API

Windows API (Application Programming Interface) — это программный интерфейс пользовательского режима для Windows. До появления 64-разрядной версии операционной системы программный интерфейс 32-разрядных версий Windows назывался Win32 API в отличие от исходного 16-разрядного Windows API (программный интерфейс для исходных 16-разрядных версий Windows). На данный момент термин Windows API или Win32 API относят как к 32-разрядным, так и к 64-разрядным версиям.

В «доисторические времена» Windows API состоял только из функций в стиле C. Выбор языка C был обусловлен тем, что написанный на нем код также мог использоваться из других языков. Он являлся достаточно низкоуровневым для предоставления сервиса ОС. Но огромное количество функций в сочетании с недостаточной последовательностью выбора имен и отсутствием логических группировок (вроде пространств имен C++) привели к тому, что в некоторых новых API используется другой механизм — модель COM.

COM базируется на двух основных принципах. Во-первых, клиенты взаимодействуют с объектами (серверные объекты COM) через интерфейсы — четко определенные контракты с набором логически связанных методов, сгруппированных посредством механизма диспетчеризации по виртуальным таблицам. Такой же механизм, к слову, обычно применяется компиляторами C++ для реализации диспетчеризации виртуальных функций. Таким образом обеспечивается двоичная совместимость и снимаются проблемы с декорированием имен компилятором. Поэтому, такие методы могут вызываться из многих других языков и компиляторов, включая C, C++, VB, языки .NET, Delphi и т. д. Вторым принципом является динамическая загрузка компонентов (вместо статической компоновки с клиентом).

WinRT

В Windows 8 появился новый API и исполнительная среда поддержки Windows Runtime (WinRT). WinRT состоит из платформенных сервисов, предназначенных для разработчиков приложений Windows Apps (приложения Windows Apps подходят для устройств, начиная от миниатюрных IoT-устройств до телефонов, планшетов, десктопных систем, ноутбуков и даже Xbox One и Microsoft HoloLens).

С точки зрения API платформа WinRT строится на базе COM, добавляя в базовую инфраструктуру COM различные расширения. С архитектурной точки зрения она обладает намного большей целостностью: в ней реализованы иерархии пространств имен, последовательная схема назначения имен и паттерны программирования. На базовом двоичном уровне WinRT API все равно строится на основе унаследованных двоичных файлов и API Windows. Это не новый «машинный» API для системы: ситуация немного напоминает то, как .NET строится на основе традиционного Windows API. 

.NET Framework

.NET Framework является частью Windows. Он состоит из двух основных компонентов:

• CLR (Common Language Runtime). Исполнительная среда .NET, включает JIT-компилятор для преобразования инструкций языка CIL в низкоуровневый язык машинных команд процессора, сборщик мусора, систему проверки типов, безопасность обращения к коду и т. д. Среда реализована в виде внутрипроцессного сервера COM (DLL) и использует различные средства, предоставляемые Windows API.
• .NET Framework Class Library (FCL). Обширная подборка типов, реализующих функциональность, часто используемую в клиентских и серверных приложениях, — средства пользовательского интерфейса, поддержка сети, работа с базами данных и т. д.

На схеме представлены отношения между .NET Framework и ОС Windows:

Отношение между .NET и ОС Windows. Термин «сервер COM» обычно относится к DLL библиотеке или исполняемому файлу (EXE), в котором реализованы классы COM.

We know that an operating system is considered the backbone of any system that you may use. The three most common and widely used operating systems share things in common just as well as they share differences. While there are cases where one might outperform another, those cases and such scenarios are very rare.

The most notable difference one can notice is how they store the files in their file structure, like in case of windows, it follows a directory structure to store the different kinds of files of the user, whereas the Mac OS file structure is known as MAC OS X and when it comes to Linux the file structure is entirely different from Windows and Mac as it stores the data in the form a tree.

Another major difference is the tech stack that these languages were built upon, and the programming languages that played a major key role in their development and deployment.

It should also be noted that a major part of any operating system is the kernel and the kernel is different for each of the operating systems, like we have a different kernel in Windows which is developed using a different programming language, as when compared to a kernel of Mac OS.

In order to take a look and understand what different languages these operating systems use and why they use those particular languages only, we need to visit the official comments of such operating system developers.

Linus Torvalds (Founder of Linux) has this to say about −

“It’s mostly in C, but most people wouldn’t call what I write C. It uses every conceivable feature of the 386 I could find, as it was also a project to teach me about the 386. As already mentioned, it uses an MMU, for both paging  (not to disk yet) and segmentation.”

When it comes to Linux, most of the things that are there in the OS are written in C programming language, and assembly language also plays an important role in the Linux architecture. Also, many userland apps that we see in Linux are developed using Python.

Now, we know what Linux is made of, it’s time to explore more about Mac OS X and understand what technologies it uses and why.

Mac mainly makes use of Objective C, as much of the Cocoa is implemented in Objective-C, which is nothing but a superset of the legendary programming language C. At the kernel level, the Mac is developed mostly using the C programming language, and the PnP subsystem is Embedded in C++.

In the case of windows, there is a bit of a mix of three programming languages that they used to develop their OS. The mixture of languages involved C, C++ and C# where the first two were used to develop the most of the legendary code, while C# has been used in fairly recent upgrades, like .NET which is shipped with Windows. A lot of .NET is in C#.

So in conclusion, we can summarize all the languages that these operating systems use in a simple table.

We know that an operating system is considered the backbone of any system that you may use. The three most common and widely used operating systems share things in common just as well as they share differences. While there are cases where one might outperform another, those cases and such scenarios are very rare.

The most notable difference one can notice is how they store the files in their file structure, like in case of windows, it follows a directory structure to store the different kinds of files of the user, whereas the Mac OS file structure is known as MAC OS X and when it comes to Linux the file structure is entirely different from Windows and Mac as it stores the data in the form a tree.

Another major difference is the tech stack that these languages were built upon, and the programming languages that played a major key role in their development and deployment.

It should also be noted that a major part of any operating system is the kernel and the kernel is different for each of the operating systems, like we have a different kernel in Windows which is developed using a different programming language, as when compared to a kernel of Mac OS.

In order to take a look and understand what different languages these operating systems use and why they use those particular languages only, we need to visit the official comments of such operating system developers.

Linus Torvalds (Founder of Linux) has this to say about −

“It’s mostly in C, but most people wouldn’t call what I write C. It uses every conceivable feature of the 386 I could find, as it was also a project to teach me about the 386. As already mentioned, it uses an MMU, for both paging  (not to disk yet) and segmentation.”

When it comes to Linux, most of the things that are there in the OS are written in C programming language, and assembly language also plays an important role in the Linux architecture. Also, many userland apps that we see in Linux are developed using Python.

Now, we know what Linux is made of, it’s time to explore more about Mac OS X and understand what technologies it uses and why.

Mac mainly makes use of Objective C, as much of the Cocoa is implemented in Objective-C, which is nothing but a superset of the legendary programming language C. At the kernel level, the Mac is developed mostly using the C programming language, and the PnP subsystem is Embedded in C++.

In the case of windows, there is a bit of a mix of three programming languages that they used to develop their OS. The mixture of languages involved C, C++ and C# where the first two were used to develop the most of the legendary code, while C# has been used in fairly recent upgrades, like .NET which is shipped with Windows. A lot of .NET is in C#.

So in conclusion, we can summarize all the languages that these operating systems use in a simple table.

Вообще, самый удобный язык для системного программирования — это C. Плюс к этому существуют довольно сильные opmimizing compilers, компиляторы с очень продуманной оптимизацией. В C есть ряд удобных вещей — таких как union, например. В паскале / delphi строгая типизация, которую можно обойти, конечно, довольно легко с использованием указателей, к примеру, но все это будет сложнее и менее удобно реализовываться. Есть примеры -и ОС на паскале-подобных языках, вроде ОС на FreePascal (StreamOS, DelphineOS).

А DOS’ы на C писались, тот же MSDOS, тот же замечательный FreeDOS. Компактные ядра, загрузчики на ASM, остальное на C.

Все это не значит, что Delphi, FPC и VPC — плохие паскале-подобные языки, здесь вопрос в самих компиляторах и принципе строгой типизации. Немного переработать тот же FreePascal и спокойно можно будет функциональные OC писать.

Хотя уже, к примеру, тот же FPC написан на FreePascal и уже давно компилирует сам себя, перспективы развития есть. Что очень важно, он реализует целый ряд диалектов языка, что значит, есть возможности и для расширения.

Есть множество ОС на чистом ассмеблере, тот же MenuetOS / Kolibri, просто уникальная и ультракомпактная мини ОС.

Раньше наши отечественные ОС, варианты ДОС, писались на ASM, причиной чему были жесткие ограничения по ОЗУ, дисковому пространству и быстродействию.

Кадр: сериал «Мистер Робот»

Программист, консультант, специалист по документированию. Легко и доступно рассказывает о сложных вещах в программировании и дизайне.

---

об авторе

Системный программист с двадцатилетним стажем, сооснователь и технический директор Oxide Computer Company. С 1996 по 2006 год разрабатывал ядро ОС Solaris в Sun Microsystems, а с 2010 по 2019 год — SmartOS в компании Joyent.

В докладе на конференции QCon Брайан Кантрилл объясняет, почему многим системным программистам нравится Rust и почему на этом языке будут писать современные операционные системы.

В статье мы пересказали основные идеи доклада.

---

Если я спрошу, не пора ли переписать все операционные системы на Rust, по закону заголовков Беттериджа вы можете сказать «нет». Но я приведу много доводов, почему стоит ответить «да». Ещё я расскажу, зачем ставлю в названии статьи вопросительный, а не восклицательный знак.

На первый взгляд это простой вопрос, но начнём с определения программного обеспечения. Считается ли им, например, алгоритм Евклида? Нет, потому что он появился раньше компьютеров.

То же и с операционной системой. ОС — это то, что работает поверх железа. Но не только физического, ведь её можно запустить в облаке на виртуальном оборудовании. Получается, что и здесь всё сложно.

Если говорить проще, операционная система — программа, которая позволяет запускать на железе стороннее ПО. Если ОС перестаёт работать, все остальные процессы завершаются вместе с ней.

У операционной системы есть ядро — часть с полным доступом к ресурсам процессора, памяти и другого оборудования. Но кроме ядра в ОС ещё есть библиотеки, команды и демоны.

Подобия ОС писали на ассемблере уже после Второй мировой. Но полноценная операционная система появилась в 1961 году — это была MCP, написанная на языке ESPOL. Её создали для компьютера Burroughs B5000, который опередил своё время, но был коммерчески бесполезен.

В 1964 году в MIT попытались развить идею и начали разрабатывать CTSS — мультизадачную операционную систему, которая умела распределять аппаратные ресурсы между разными программами и пользователями. Её назвали Multics.

Создатели Multics хотели сделать всё правильно, но случилось то, что я называю синдромом второй системы. Они решили переписать с нуля почти все компоненты, поэтому проект получился огромный, а сроки сдачи переносились всё дальше.

ОС писали на языке PL/I, а его компилятор отдали разрабатывать аутсорсинговой компании, но у той ничего не вышло. Чтобы спасти положение, команда учёных создала язык EPL и продолжила работу на нём.

В 1969 году Bell Labs, одна из участниц программы, посчитала проект бесперспективным и вышла из него. А сотрудник Bell Labs Кен Томпсон сделал на его базе UNIX — операционную систему для мини-компьютера PDP-7.

Некоторые думают, что UNIX написали на С, но это не так — её полностью разработали на ассемблере. В отличие от авторов Multics, у разработчиков UNIX не было синдрома второй системы. Её создатели сначала делали работающий компонент, а потом писали к нему документацию.

В том же 1969 году в Bell Labs создали язык B. На нём написали некоторые утилиты UNIX, причём и тут не обошлось без ассемблера.

Но разработчиков UNIX не устраивала производительность языка B. Да, они считали, что операционную систему можно сделать на языке высокого уровня, но B для этого не годился — в нём не хватало байтовой адресации.

Тогда придумали язык С. В первой версии в нём не было структур — они появились только к 1973 году (понадобились для ядра UNIX). По той же причине добавили и битовые поля.

Язык дорабатывали постепенно — как раз в этом и его сила, и его слабость. Меня бесит, что в нём нет логического XOR — один из создателей языка объяснял это тем, что XOR не подходит для вычислений по короткой схеме.

Но С всё равно развивался. В нём появились макросы — а это одна из вещей, которые мне очень нравятся и в Rust. То же и с препроцессорами — многие не любят их использовать, но они важны для DTrace, ZFS и других систем.

В 1980-е годы С доминировал. На нём были написаны почти все операционные системы. Но в 1990-е стало популярным объектно-ориентированное программирование, и ОС на C объявили устаревшими. Считали, что скоро их заменят ОС на Java и C++. Но эти попытки провалились, и одна из причин — синдром второй системы.

Я помню 1990-е годы, когда гендиректором Apple был Джил Амелио. Компания громко рекламировала Mac OS Copland, но никак не могла её выпустить. Остальные же компании из Кремниевой долины ждали, пока Apple разорится, чтобы по дешёвке выкупить её имущество.

А Sun Microsystems разрабатывала операционную систему Spring — на C++. Ещё в студенчестве мне в руки попал CD-диск со Spring: я попробовал её установить, но компьютер не запустился. Оказалось, что у меня только 32 МБ оперативной памяти, а система требовала минимум 128 МБ. В наше время это всё равно что 2 ТБ RAM.

Не получилось сделать и ОС на Java. В этом языке нет беззнакового типа данных, без которого системе трудно взаимодействовать с железом.

Когда появился Linux, написание систем на языке C стало мейнстримом. Много кто пробовал создать ядро ОС на C++, но из этих попыток ничего не вышло. Хотя есть исключения — та же Haiku. С одной оговоркой — всё-таки это был любительский проект, ничего серьёзного.

В то же время, в начале 2000-х, главными языками были Java и C++. А потом заметными стали Ruby, Python и JavaScript. Но все они фокусируются на увеличении скорости разработки. Никто в здравом уме не пробовал создать ОС на Ruby или Python.

JavaScript сначала был не слишком популярным. Но им стали активно пользоваться в 2006 году, когда все поняли, что в браузерах появился полноценный язык, на котором можно создавать веб-приложения. Для меня JavaScript — это замаскированный Lisp в браузере, но без многочисленных скобок.

К 2010-м годам системные программисты хотели получить язык, который был бы таким же производительным, как C, но в то же время обладал бы преимуществами других языков — например, методом split () и регулярными выражениями.

Из этого вышло много интересного. Например, появились мощные среды выполнения JavaScript, в частности движок V8, который можно было запускать на сервере. Потом появился Node.js. Мне очень нравится JS, но в мире системного программного обеспечения с ним было бы чересчур много проблем.

Некоторые сотрудники Bell Labs перешли в Google и разработали там язык Go. Он лишён многих недостатков JavaScript, но у него есть некоторые особенности.

В своём выступлении разработчик из Google Адин Сканнелл рассказал, что на Go можно создать ядро операционной системы, но у Go и JavaScript есть общая проблема — сборщики мусора. Они только замедляют системные программы, а потому не подходят для создания операционных систем.

Я написал на C++ сто тысяч строк кода и больше никогда не хочу к нему возвращаться. Меня всё сильнее и сильнее интересует Rust, потому что мне нравятся его ценности — это быстрый и безопасный язык для системного ПО.

Одна из самых интересных особенностей Rust — понятие владения. Язык статически определяет, кому что принадлежит. Компилятор выделяет вам память, а затем освобождает её, когда вы закончите с ней работать. А если он не знает, кому принадлежит память, то он её одалживает. Это называется заимствованием. Такой процесс исключает утечку ресурсов и обеспечивает безопасность — одна программа не может перезаписать память другой. И это действительно важно.

В Rust есть и другие функции, которые мне нравятся:

Алгебраические типы. Позволяют превосходно обрабатывать ошибки, работают примерно как объединение в C.

Гигиенические макросы. У меня их не было в C, и я буквально не знал, как пишется слово «гигиенический». Но такой макрос, который можно получить в выводе абстрактного синтаксического дерева вместе с другим программным кодом, — это удивительно.

Продуманные внешние функции. Интерфейс внешней функции в Rust очень хорошо продуман — вы можете взять код C и вставить его в программу на Rust или наоборот.

Ключевое слово unsafe. Его используют, чтобы выключить безопасный доступ к памяти и выполнять операции, которые компилятор иначе бы не разрешил.

Я думаю, что на Rust можно смело писать операционные системы. Подобный язык мы ждали последние 30 лет.

Первая попытка, о которой я знаю, — система Weenix. Её создал студент Захари Эспириту для своей дипломной работы. Он подробно описывает проблемы, с которыми столкнулся в процессе.

С 2015 года небольшие операционные системы на Rust появлялись одна за другой: вышли Redox, Tock, IntermezzOS, BlogOS, QuiltOS, Rux и другие. IntermezzOS и BlogOS — учебные проекты, а Tock создана для интернета вещей.

К сожалению, у этих ОС нет бинарной совместимости с Linux, а значит, на них не запускается большая часть линуксовых программ. Поэтому я думаю, что гибридные подходы — самый правильный способ написать ОС на Rust:

Подход	В чём его смысл
Добавлять в ядра на С новые компоненты на Rust	Мне нравится, что С и Rust умеют взаимодействовать друг с другом. Можно сохранить ядро, написанное на C или ассемблере, а на Rust разрабатывать драйверы, файловые системы и прошивки
Писать на Rust компоненты операционной системы	В ОС входит не только ядро, но и утилиты, демоны, диспетчер служб, диспетчер устройств, управление сбоями и отладчики. Их можно с успехом переписать на Rust
Переписать прошивку с DOS на Rust	Много критически важного системного ПО работает под управлением DOS. Большинство проблем этой прошивки можно решить, если переписать её на Rust. Тот, кто это сделает, окажет человечеству огромную услугу

Я очень оптимистично отношусь к Rust. Думаю, мы можем использовать его в операционных системах: в прошивке, в расширениях для ядра, при создании компонентов ОС, хотя на практике наверняка будет много трудностей.

Rust совместим с системами на C, и в этом его красота. Такой язык открывает новые возможности.

* Решением суда запрещена «деятельность компании Meta Platforms Inc. по реализации продуктов — социальных сетей Facebook* и Instagram* на территории Российской Федерации по основаниям осуществления экстремистской деятельности».

Школа дронов для всех
Учим программировать беспилотники и управлять ими.
Узнать больше