Mengapa tidak memiliki OS berbasis Bahasa Tingkat Tinggi? Apakah Bahasa Tingkat Rendah lebih efisien?

Tanpa sombong, saya ingin Anda mempertimbangkan kemungkinan ini. Sebagian besar OS saat ini didasarkan pada bahasa tingkat rendah (terutama C / C ++). Bahkan yang baru seperti Android menggunakan JNI & implementasi yang mendasarinya adalah dalam bahasa C

Bahkan, (ini adalah pengamatan pribadi) banyak program yang ditulis dalam C berjalan jauh lebih cepat daripada rekan-rekan tingkat tinggi mereka (misalnya: Transmisi (klien bittorrent di Ubuntu) jauh lebih cepat daripada Vuze (Java) atau Deluge (Python) ). Bahkan kompiler python ditulis dalam C, meskipun PyPy adalah pengecualian.

Jadi, apakah ada alasan khusus untuk ini? Mengapa semua yang kita sebut "Bahasa Tingkat Tinggi" dengan konsep "OOP" yang hebat tidak dapat digunakan dalam membuat OS yang solid?

Jadi saya punya 2 pertanyaan pada dasarnya.

1. Mengapa aplikasi yang ditulis dalam bahasa tingkat rendah lebih efisien daripada rekan-rekan HLL mereka? Apakah bahasa tingkat rendah berkinerja lebih baik karena alasan sederhana bahwa bahasa tingkat rendah dan diterjemahkan ke kode mesin lebih mudah?
2. Mengapa kita tidak memiliki OS lengkap sepenuhnya berdasarkan sepenuhnya pada Bahasa Level Tinggi?

Microsoft telah melakukan beberapa penelitian yang sangat menarik dalam arah ini, jika Anda melihat ke Singularitas:

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

Juga, Mothy Roscoe dkk telah bekerja pada Barrelfish yang menggunakan bahasa pemrograman kendala Eclipse sebagai layanan OS untuk memilah semua jenis manajemen OS dan masalah alokasi sumber daya:

http://www.barrelfish.org/

Banyak tergantung pada di mana Anda menempatkan pembagian antara bahasa tingkat rendah dan tingkat tinggi. Sebagai contoh, orang yang berbeda cenderung menempatkan bahasa seperti C ++ pada sisi yang berbeda dari pembagian itu.

Mengenai pertanyaan Anda:

1. Saya tidak percaya ada perbedaan antara bahasa tingkat rendah dan tingkat tinggi, tetapi lebih banyak perbedaan antara bahasa yang ditafsirkan dan bahasa yang dikompilasi dengan instruksi asli.

   Tetapi mungkin juga ada perbedaan budaya antara programmer, di mana sekali yang menggunakan bahasa tingkat rendah lebih fokus pada aspek kinerja dari pilihan (desain) yang mereka buat.

2. Jika Anda menganggap C ++ sebagai level tinggi, maka setidaknya ada satu OS yang sepenuhnya ditulis dalam bahasa tingkat tinggi (Symbian OS ditulis dalam C ++). Apa yang membuat Anda berhenti menulis OS dalam sebagian besar bahasa tingkat tinggi adalah dua hal:

   • OS membutuhkan akses tingkat rendah ke memori dan perangkat keras dan melakukan trik kotor pada mereka. Jenis akses ini umumnya dianggap tidak aman untuk program tingkat aplikasi, sehingga banyak bahasa tingkat tinggi tidak mengizinkannya.
   • OS perlu dijalankan tanpa perangkat lunak pendukung hadir, seperti juru bahasa. Ini membuatnya sangat sulit untuk menulis OS dalam bahasa yang tidak dapat dengan mudah dikompilasi menjadi instruksi asli.

Ada sejumlah alasan bagus untuk ini.

Bahasa tingkat rendah hari ini adalah bahasa tingkat tinggi kemarin

Ya, percaya atau tidak, pada suatu waktu bahkan C dipandang sebagai bahasa tingkat tinggi. Bahkan ~ 20 tahun yang lalu cukup umum untuk melihatnya digambarkan sebagai bahasa "tingkat menengah". Ini adalah waktu sebelum OO sepopuler sekarang, Java tidak ada, C # tidak ada, bahkan C ++ belum distandarisasi dengan baik.

Kelembaman historis

Sistem operasi yang Anda gunakan saat ini memiliki akar yang dalam dalam sejarah. Windows kembali ke awal / pertengahan 80-an, Unix kembali ke awal / pertengahan 70-an. Ada BANYAK kode lama yang berfungsi dalam sistem operasi, dan Anda umumnya tidak ingin menulis ulang kode yang lama dan berfungsi.

Pada titik tertentu Anda harus pergi ke perangkat keras

Ini terjadi di kernel, itu terjadi di driver, itu terjadi di subsistem manajemen memori, itu terjadi di sistem file. Tentu Anda dapat melapisi bahasa tingkat tinggi di atasnya, tetapi Anda masih membutuhkan kemampuan untuk lebih langsung mengakses perangkat keras yang ditawarkan oleh bahasa tingkat rendah.

Portabilitas

Saya tidak bermaksud portabilitas ke perangkat keras yang berbeda atau OS yang berbeda karena lebih umum dipahami hari ini; ini lebih halus. Ada satu keuntungan utama dari menyediakan antarmuka berbasis C untuk sesuatu, dan itu adalah fakta bahwa hampir setiap bahasa lain yang ada dapat terhubung ke C. Bahkan Windows API masih merupakan API berbasis C saat ini karena alasan itu.

Pilihan pribadi

Beberapa orang lebih suka memprogram dengan cara ini, dan itu bisa menjadi faktor utama. Sebagai contoh, Linus Torvalds memiliki kata-kata kasar yang terkenal terhadap C ++ yang membuatnya cukup jelas bahwa sejauh yang ia ketahui, C akan selalu menjadi alat pilihannya untuk jenis pekerjaan ini (isi kata-kata kasar dan apakah Anda setuju atau tidak dengan itu. tidak relevan dengan diskusi ini; fakta bahwa kata-kata kasar itu ada sudah cukup).

Secara bersama-sama, ini harus secara jelas menetapkan mengapa sistem operasi awalnya ditulis dalam sesuatu seperti C di masa lalu, dan mengapa potongan yang sangat signifikan - bahkan hari ini - tetap demikian.

Alasan utama dominasi C untuk sistem operasi terletak pada sejarah - sistem operasi arus utama seperti Windows dan semua bentuk Unix (BSD, Solaris, HP-UX, MacOS X, ... serta klon seperti Linux) kembali lama sekali, sebelum OO dan konstruksi "tingkat tinggi" lainnya menjadi arus utama.

Untuk inti dari sistem operasi selain kinerja ada kebutuhan untuk sangat spesifik tentang instruksi perangkat keras dan satu kebutuhan kontrol penuh atas memori yang bahasa seperti C melakukannya dengan sangat baik.

Untuk embedded system terkadang ada sistem operasi yang menggunakan bahasa level yang lebih tinggi untuk bagian sistem yang lebih besar. Salah satu contoh penting adalah JavaOS oleh Sun.

Untuk sistem operasi yang tersebar luas, contoh penting yang tidak menggunakan C juga adalah MacOS klasik sebelum MacOS X - yang sebagian besar ditulis dalam dialek Pascal yang memungkinkan beberapa bentuk orientasi objek.

Pertama, ada beberapa masalah bootstrap. Sebagian besar fitur yang membuat bahasa tingkat tinggi lebih mudah didasarkan pada abstraksi yang harus disediakan sendiri oleh kernel. Bagaimana Anda menulis manajer memori dalam bahasa yang memerlukan manajer memori? Bagaimana Anda menulis driver I / O tanpa menggunakan pustaka I / O standar bahasa Anda yang bagus? Bagaimana Anda membuat primitif threading dan sinkronisasi tanpa menggunakan perpustakaan bahasa?

Kedua, ini sangat berguna dan jauh lebih mudah dibaca ketika menulis sistem operasi untuk dapat menetapkan variabel ke lokasi memori tertentu. Ini mudah di C, dan setiap programmer C tunggal tahu bagaimana melakukannya. Jika bahkan mungkin dalam bahasa tingkat tinggi, sangat jarang bahwa hanya guru yang tahu bagaimana melakukannya.

Dengan kata lain, ketika Anda memperhitungkan semua batasan dan modifikasi yang harus Anda terima, C dan C ++ mulai tampak jauh lebih mudah.

Pertama-tama, bootstrap membutuhkan setidaknya sebagian kecil untuk ditulis dalam Majelis atau setara.

Kedua, ada adalah OS ditulis dalam disangkal HLL - Lisp Machine . (Fakta bahwa kegagalan secara komersial lebih terkait dengan perangkat keras lain menjadi lebih cepat lebih murah dan kemenangan Worse lebih baik daripada dengan kekurangan filosofi atau desainnya).

Ketiga, C ++ cukup berorientasi objek dan tingkat tinggi, jadi, seperti yang ditunjukkan orang lain, OS Symbian adalah contoh lain.

Keempat, ada sedikit kebutuhan untuk OS baru saat ini. Kami sudah memiliki beberapa rasa linux dan bsd yang berjalan di hampir semua perangkat keras, dan membuat OS baru dari awal cukup mahal.

Untuk fase yang lebih baik apa yang saya tulis sebelumnya.

Mesin Burroughs 5xxx - 6xxx tidak memiliki bahasa rakitan. Bahasa terendah yang tersedia adalah ekstensi ke Algol. Algol diimplementasikan dalam perangkat keras. OS dan semua bahasa ditulis dalam Algol. Itu mengungguli semua mesin pesaing saat itu. Itu juga membutuhkan kode yang jauh lebih sedikit yang membuatnya lebih mudah untuk dipelihara. Itu stack hardware yang mendukung bahasa rekursif seperti Algol.

Sistem operasi Burroughs berevolusi menjadi versi yang disebut MCP. MCP saat ini berjalan pada sistem Unisys.

Sebagian besar bahasa tingkat tinggi yang Anda sebutkan memiliki fitur yang tidak cocok dengan sistem operasi: Manajemen memori otomatis. Anda tidak dapat mengandalkan pengumpul sampah saat menulis sistem waktu nyata - baik lunak (yang merupakan sistem operasi) atau bahkan yang paling sulit. Mengutip Tanenbaum [i]:

Beberapa hal yang tidak dimiliki C termasuk string bawaan, utas, paket, kelas, objek, keamanan jenis, dan pengumpulan sampah. Yang terakhir adalah show stopper untuk sistem operasi. Semua penyimpanan dalam C baik statis atau dialokasikan secara eksplisit dan dirilis oleh programmer, biasanya dengan fungsi perpustakaan malloc dan gratis . Ini adalah properti yang terakhir - total kontrol programmer atas memori - bersama dengan pointer eksplisit yang membuat C menarik untuk menulis sistem operasi. Sistem operasi pada dasarnya adalah sistem waktu-nyata sampai batas tertentu, bahkan yang untuk keperluan umum. Ketika interupsi terjadi, sistem operasi mungkin hanya memiliki beberapa mikrodetik untuk melakukan beberapa tindakan atau kehilangan informasi penting. Memiliki pengumpulan sampah menendang pada saat yang sewenang-wenang tidak dapat ditoleransi.

Sekarang, Anda mungkin berpendapat bahwa C ++ juga merupakan kandidat yang baik karena menawarkan manajemen memori manual. C ++ telah digunakan di beberapa sistem operasi seperti Symbian (disebutkan oleh Bart ) dan BeOS. Tetapi IMHO C masih merupakan bahasa tercepat yang dapat porting di banyak arsitektur tanpa usaha besar (berbeda dengan perakitan arsitektur tertentu).

_{[i]: Sistem Operasi Modern edisi ke-3, halaman 73}

Seperti yang telah ditunjukkan orang lain, beberapa sistem operasi telah ditulis dalam bahasa tingkat tinggi. Mungkin yang Anda maksud adalah bahwa semua OS yang sukses, pasar massal, tujuan umum telah ditulis dalam beberapa kombinasi assembly, C, dan C ++?

Sebagian besar bahasa tingkat tinggi memiliki banyak fitur bermanfaat yang membawa biaya kinerja yang terkait. Manajemen memori otomatis adalah contoh yang jelas, batas memeriksa array adalah hal lain. Jika Anda menulis OS tujuan umum, Anda cenderung mengalami situasi di mana hukuman kinerja dari fitur-fitur bermanfaat ini lebih dari yang Anda bayarkan. Pada titik itu Anda ingin dapat mematikannya. Bahasa-bahasa seperti Python, C #, dan Java bervariasi di mana fitur-fitur yang dapat Anda matikan, tetapi tidak satu pun dari mereka yang serba C atau C ++ dalam hal ini.

Dalam aspek ini C dan C ++ hampir sama serbagunanya dengan perakitan murni. Jika Anda memutuskan bahwa Anda memerlukan sepuluh manajer memori yang berbeda yang mencakup sepuluh skenario alokasi memori yang berbeda, Anda dapat menerapkan semuanya dalam C dan C ++, dan memuat dan membongkar semuanya sesuai keinginan Anda. Heck, Anda bahkan tidak perlu menautkan ke pustaka runtime C standar atau kode startup jika Anda tidak mau.

Jawaban sebenarnya adalah Uang . Tidak ada manfaat yang dirasakan cukup dari OS bahasa tingkat tinggi untuk membenarkan pengeluaran sumber daya untuk membangun satu dan kemudian mendorongnya ke arus utama. Misalnya, ada biaya besar untuk membangun driver baru untuk setiap perangkat keras yang perlu didukung.

Ada berbagai OS yang ditulis dalam bahasa tingkat tinggi, dengan tujuan utama penelitian, seperti Oberon dan Singularity .