用 Rust 编写的操作系统

在过去的几年里，Rust 编程语言彻底改变了系统编程的方式。Rust 以其内存安全、高性能和对开发者友好的工具而闻名，并且在开发操作系统 (OS) 组件方面开辟了一个不断增长的利基市场。这些完全或部分用 Rust 编写的操作系统有望解决系统设计中数十年的老问题，例如安全漏洞、稳定性和资源消耗。

在本文中，我们将讨论为什么 Rust 非常适合操作系统开发，一些值得注意的基于 Rust 的操作系统项目，以及这种趋势对技术格局的影响。

为什么选择 Rust 进行操作系统开发？

操作系统是现代计算机的生命线，稳定性和性能是基本需求。Rust 具有一些非常适合这些需求的巨大优势：

1. 无垃圾回收的内存安全

由于其所有权系统和严格的编译时检查，Rust 中其他语言中常见的语义错误，如空指针解引用和缓冲区溢出，是不可能发生的。Rust 在不依赖垃圾回收的情况下实现了这一点，确保了其出色的性能和可预测性。

2. 并发与性能

Rust 的零成本抽象和无畏的并发模型有助于在多线程环境中编写安全高效的代码。这对于需要同时维护大量进程和线程的现代操作系统至关重要。

3. 开发者生产力

Rust 丰富的工具生态系统，包括 cargo（Rust 的构建和包管理器）以及它详尽的错误消息，可以加快开发和调试速度。因此，编写底层代码不再那么令人痛苦，而是更有趣。

4. 安全性优先

在操作系统中，漏洞是一个主要问题。Rust 的安全保证显著减少了因常见编程错误引起的可攻击面。

值得注意的 Rust 操作系统项目

Rust 有许多令人兴奋的操作系统开发项目，展示了它的强大功能。以下是其中一些：

1. Redox OS

基于 Rust 的操作系统中最著名的例子是 Redox OS。Redox 是一个类Unix 的操作系统，注重安全性、简洁性和性能。它完全用 Rust 开发的微内核架构最大限度地减少了在特权模式下执行的代码量，从而降低了错误和安全漏洞的攻击面。此外，Redox 拥有自己的包管理器、实用程序甚至图形界面。

2. Theseus

这是一个研究型操作系统，旨在探索新的“内语言”设计，其中每个组件都用 Rust 编写，并利用 Rust 提供的设计特性。它旨在增强系统的模块化，并利用 Rust 的所有权和类型系统来降低资源泄露的可能性。

3. Tock OS

Tock 是一款微控制器安全嵌入式操作系统，使用基于能力的安全性模型和 Rust 的安全功能，强制组件之间严格隔离，使其非常适合物联网和嵌入式系统。

4. Bottlerocket

Bottlerocket 是由亚马逊网络服务 (AWS) 开发的基于Linux 的容器优化操作系统，部分是用 Rust 编写的。虽然不是一个完整的 Rust 操作系统，但 Rust 部分更加安全可靠，展示了 Rust 如何融入混合系统设计。

构建 Rust 操作系统的挑战

虽然 Rust 提供了引人注目的优势，但用 Rust 构建操作系统并非没有挑战：

1. 成熟度和生态系统

大多数操作系统级别的库和工具仍然是用C 或C++ 开发的。虽然正在改进，但 Rust 生态系统在低级编程方面不如其老前辈那样成熟或先进。

2. 学习曲线

Rust 严格的编译时检查对于习惯了其他语言的用户来说需要一些适应。用于操作系统的底层 Rust 代码需要对语言以及系统编程有深入的理解。

3. 与遗留代码集成

这意味着需要大量的 unsafe Rust 来与现有的 C/C++ 库或硬件进行交互，并且需要非常小心地维护 Rust 旨在提供的安全保证的程度。

实际应用和采用趋势

基于 Rust 的操作系统的发展势头不仅仅局限于有趣的实验性或研究项目。Rust 在关键领域的潜力，包括云原生计算，正在受到科技巨头和新兴创业公司的关注。

1. 云计算和容器

像 AWS Bottlerocket 这样的云原生操作系统展示了 Rust 如何提高云基础设施的可靠性。这些操作系统提供了更高的安全性和资源隔离性，这对于在大型分布式系统中托管容器化工作负载非常重要。

2. 物联网和嵌入式系统

嵌入式系统领域通常在受限的环境中运行，性能和可靠性至关重要。Tock OS 等操作系统在 Rust 上运行，展示了其在低功耗、资源受限设备中的应用，为物联网生态系统提供了安全基础。

3. 研究与教育

Theseus 等项目不仅推动了操作系统的发展，还有助于教育。一些大学和研究人员正在使用基于 Rust 的操作系统来教授现代系统编程原理以及关于模块化和资源管理的新思想。

基于 Rust 的操作系统的未来

Rust 作为新的操作系统开发语言不仅仅是一种趋势，它是一种范式转变，旨在解决传统系统编程语言的关键缺陷。随着 Rust 生态系统的不断成熟，以及越来越多地利用 Rust 提供的所有优势来构建系统，我们可能会看到更多生产就绪的操作系统投入使用。

对于科技行业而言，这种转变预示着一个操作系统更快、更易于使用，但更重要的是，它们本质上更安全的时代。这一变化可能会重塑我们构建软件可靠性和安全性的方式，从最底层的堆栈开始。

结论

借助基于 RUST 的操作系统，未来是安全高效的系统设计。Redox、Theseus 和 Tock 是探索通用和专用操作系统开发的一些项目。尽管面临持续的挑战，Rust 在安全性、性能和开发者体验方面的优势可以成为现代操作系统设计的游戏规则改变者。

Rust 将会长期存在，许多新的操作系统将以 Rust 编写，为技术发展铺平道路，也为每个人带来更安全可靠的软件。