操作系統(tǒng)中的系統(tǒng)抽象
抽象通常被認為是計算思維的基本原則，抽象思維能力被認為是工程們最重要的能力之一。2021年圖靈獎慶祝了由阿爾弗雷德·阿霍和杰夫·烏爾曼設(shè)計的編程語言和編譯器抽象，展示了向更高級抽象的方向邁出了一步。
那么，什么抽象呢？對操作系統(tǒng)而言， 抽象又是怎樣的呢？
什么是抽象？
在哲學里，“抽象”是一種將觀念抽離原本客體的思想過程, 是指認知某類個體內(nèi)的普遍性質(zhì)之概念形成及形成其性質(zhì)概念之準則的過程。
具體一些，抽象是指以縮減一個概念或是一個現(xiàn)象的資訊含量來將其泛化的過程，主要是為了只保存與某一特定目的有關(guān)的資訊。例如，將一個皮制的藍球抽象化成一個幾何意義上的球，只保留一般球的屬性和行為等信息。相似地，也可以將快樂抽象化成一種情緒，以減少其在情緒中所含的資訊量。
抽象的過程普遍存在于所有人類社會的思維過程當中，也是所有人類語言的一部分，也就是說，抽象的過程是普便的文化通則之一。
計算機科學中的抽象
在計算機科學中，抽象是將數(shù)據(jù)與程序，以它的語義來呈現(xiàn)出它的外觀，但是隱藏起它的實現(xiàn)細節(jié)。抽象把一個問題或模型，以不同規(guī)則或方法所得出的不同的解（求解方法和解本身即抽象層），這些不同的解可以組合并還原成問題或模型的本身。抽象是用來減少程序的復雜度，使得程序員可以專注在處理少數(shù)重要的部分。一個計算機系統(tǒng)可以分割成幾個抽象層，使得程序員可以分開處理它們。
抽象的意義是可以忽略非求解過程中必需的解。例如要用計算機程序去模擬“人”，在描述了人的動作如飲食、思考、移動等符合設(shè)計要求后，其他“人”的細節(jié)（軀干、器官、細胞活動乃至人際關(guān)系）都可以忽略，以集中設(shè)計需要的功能，并減低程序的復雜度。
為了使抽象的成品（例如，算法模型）不會出現(xiàn)問題，要注意抽象時是否漏掉了重要特征，在機器學習領(lǐng)域，凸顯了特征工程的重要性。
一般地，在程序設(shè)計中，抽象類別包括下列4類：
- 過程抽象：能夠引入一些新的操作；
- 資料抽象：能夠引入新的資料對象類型；
- 反復運算抽象：能夠反復運算遍歷在集合中的元素，而不必顯示如何獲得元素的細節(jié)；
- 類型層次：能夠從多個單獨的數(shù)據(jù)類型中抽象成幾組相關(guān)的類型。
操作系統(tǒng)中的基本抽象
對操作系統(tǒng)而言，也許是最基本的抽象是操作系統(tǒng)中的“進程”，意思是正在執(zhí)行中的程序。追本溯源，這個抽象是為了解決早期操作系統(tǒng)中的可靠性問題。
在1960年到1965年之間，操作系統(tǒng)設(shè)計者承諾要建造強大的計算系統(tǒng)，在大型用戶網(wǎng)絡中廉價地分配計算能力。這些系統(tǒng)旨在整合一系列的新發(fā)明，例如時間共享、虛擬內(nèi)存、輸入輸出流、共享文件系統(tǒng)、目錄系統(tǒng)和編程支持接口。這些發(fā)明最大限度地實現(xiàn)了信息共享，最小化了開發(fā)時間，并將昂貴的CPU和內(nèi)存資源的成本分散到許多用戶中。
大約在1960年，大型程序的主要抽象是模塊和接口。它呼吁將復雜的系統(tǒng)分解成簡單的模塊，通過它們的接口來交換信息。例如，操作系統(tǒng)將組織一個用于CPU調(diào)度、內(nèi)存管理、輸入輸出、文件、目錄和編程接口支持的模塊。不幸的是，這種方法并沒有起作用，那么，缺了些什么呢？
即使設(shè)計者已經(jīng)仔細地制定了模塊功能和接口，當模塊被連接在一起并承受用戶工作負載時，系統(tǒng)總是會崩潰，而且調(diào)試工作極其困難。
問題是，模塊是一種控制結(jié)構(gòu)，用于引導CPU一次完成一個任務。然而，操作系統(tǒng)必須為許多的用戶管理許多的計算，但對于許多用戶同時工作的模塊及其界面通過而言，沒有一種簡單的方法來可視化。大型系統(tǒng)不僅僅是擁有更多用戶的小型系統(tǒng)，而且在實現(xiàn)私有內(nèi)存、共享文件和內(nèi)存以及爭奪有限的CPU資源的時候，多個用戶還產(chǎn)生了新的動態(tài)。這些動態(tài)包括競賽條件、死鎖、繁忙的等待、在內(nèi)存級別之間循環(huán)的數(shù)據(jù)、訪問文件、用戶通過創(chuàng)建新的自治服務來擴展系統(tǒng)，以及預測吞吐量和響應時間。
這就需要一種新的思維方式，這種新的思維后來被稱為并發(fā)控制。
1964年，關(guān)于“進程”的抽象出現(xiàn)了，開啟了其他問題的優(yōu)雅解決方案。一個進程不僅僅是一個正在執(zhí)行中的程序。它是一個自治的代理，可以根據(jù)請求為其他進程執(zhí)行服務。進程是需要CPU時間和內(nèi)存空間、與其他進程同步、創(chuàng)建和訪問文件、搜索目錄、響應事件以及與其他進程組合以生成動態(tài)計算結(jié)構(gòu)的實體。
這個“進程”的抽象產(chǎn)生了另一個重要的抽象——非終止計算，服務進程被設(shè)計為無限循環(huán)。在完成一個請求后，一個服務進程將返回到一個“歸屬位置”，并等待下一個傳入的請求。隱藏在后臺的守護進程執(zhí)行了有益的事務管理功能，如內(nèi)存回收或?qū)⑿薷暮蟮膬?nèi)存內(nèi)容寫回磁盤。設(shè)計師們學會了用持續(xù)運行的計算系統(tǒng)來思考。
到20世紀60年代末，大多數(shù)操作系統(tǒng)設(shè)計者將操作系統(tǒng)視為一個合作的社會，主要是不終止的進程，而不是大量的模塊。今天，筆記本電腦的活動監(jiān)視器通常會顯示了操作系統(tǒng)中運行的數(shù)百個進程。
相比之下，直到今天的大多數(shù)編程課程都只教授獨立的終止程序：那些從輸入開始，從輸出停止的程序。在這種情況下，一個非終止的程序看起來就像一個bug——死循環(huán)。
操作系統(tǒng)中的系統(tǒng)抽象
系統(tǒng)抽象對于構(gòu)建具有大量進程、用戶、設(shè)備和網(wǎng)絡連接的大型復雜系統(tǒng)至關(guān)重要。計算系統(tǒng)的每個主要領(lǐng)域有自己特有的抽象概念。例如，Internet有用于主機尋址的IP協(xié)議、用于克服噪聲傳輸?shù)腡CP協(xié)議、基于DNS的域命名、url、網(wǎng)頁、標記語言等等。Internet具有通用的無限名稱空間、指向存儲文件的不可存儲的指針、數(shù)據(jù)中心、防止數(shù)據(jù)丟失的冗余等等。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有記錄、字段、表、投影、連接、查詢、原子事務、持久存儲、文件對存儲的持久化表達，等等。
計算系統(tǒng)復雜性的一個主要來源是大量的數(shù)字對象，系統(tǒng)抽象通過兩種方面簡化了這種復雜性。首先是聚類，將所有相同類型的對象合并到一個類中，并為所有這些對象設(shè)計一個單一的管理器。管理器可以授權(quán)對這些對象執(zhí)行的操作過程提供單個的接口。其次，類管理器為對象分配唯一的名稱，并驗證授權(quán)的每個訪問。必須保護包含這些名稱和訪問代碼的指針不被更改。
我們可以通過文件系統(tǒng)的抽象來描述這一抽象的過程。
在操作系統(tǒng)中，通過一種被稱為“函數(shù)”（或系統(tǒng)調(diào)用）的較低級別抽象，滿足了對指向?qū)ο蟛豢筛淖兊闹羔樀男枨??！昂瘮?shù)“是一個由（類型、訪問、句柄）字段組成。類型字段指示所指向的對象類型，訪問字段是一個多位代碼，指定可以對該對象執(zhí)行類操作的哪個子集，句柄字段是對象的唯一代碼，將其與所有相同類型的對象區(qū)分開來。
因為沒有任何用戶進程可以改變內(nèi)核空間中的任何東西，只要保持函數(shù)內(nèi)核空間，它們就會受到保護。當它們被傳遞到外部時，它們將被增強為一個加密校驗和，使接收者人能夠驗證它們自創(chuàng)建以來沒有被更改。這一方式成為了實現(xiàn)面向?qū)ο缶幊陶Z言的原則，也被用于一些云存儲系統(tǒng)以保證文件的隱私。
操作系統(tǒng)中的多層次抽象
一類對象的系統(tǒng)抽象可以描述為“抽象機器”，其指令集是在接口上提供的操作，其隱藏的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)跟蹤所有對象，例如文件管理器。
在操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡中，我們可以將抽象的內(nèi)容堆疊成一系列的級別。每個級別都可以由較低級別定義的抽象組成，但較低級別定義的抽象不能使用關(guān)于較高級別抽象的任何信息。
這種分層的第一個工作例子之一是多重編程系統(tǒng)，這個想法已經(jīng)被擴展到現(xiàn)代操作系統(tǒng)中。典型分層級別如下：
- 中斷和堆棧
- 過程和信號器
- 虛擬內(nèi)存
- 消息交換
- 命名空間
- 輸入/輸出流（文件、管道、設(shè)備）
- 目錄
- 虛擬機
- shell及用戶界面
- 服務
級別1-5是微內(nèi)核，它們在內(nèi)核模式下運行，可以訪問所有內(nèi)存。級別6-10是用戶內(nèi)核，它們在用戶模式下操作，只能訪問調(diào)用它們的進程的私有內(nèi)存。每個級別都是一個抽象的機器，它管理該級別的對象類。
級別10是內(nèi)核之外的用戶服務的集合，例如圖形用戶界面、應用程序庫（應用程序）和性能分析工具等等，每個用戶服務都有其自己的系統(tǒng)抽象概念。
對象和操作可以由較低級別的對象和操作組成。實際上，一個級別的抽象機器嵌套在某個抽象機器中，以便于升級到下一個級別。抽象機器的用戶界面由所有嵌套機器的接口聯(lián)合組成。這個嵌套隱藏了較高層的低級細節(jié)。
在這一堆棧中，程序員必須進行設(shè)計，以便他們只向下調(diào)用，而不能向上調(diào)用。這可以防止循環(huán)等待（死鎖）和自引用代碼的循環(huán)，并使系統(tǒng)能夠通過一次測試進行驗證。這樣，通過操作系統(tǒng)中的多層次抽象解決了任何關(guān)于循環(huán)性的問題。
分層的系統(tǒng)抽象導致了廣泛的思考，也有人擔心它過于簡化、過度約束和失去演進的能力，擔心這些約束會引入更多的復雜性。但事實并非如此。當然，分層的系統(tǒng)總是會導致更小的內(nèi)核，較小的內(nèi)核速度更快，也更容易測試和驗證。多年來，唯一可證明的安全操作系統(tǒng)都是分層結(jié)構(gòu)化的?，F(xiàn)代的Sel4內(nèi)核就是最新的例子，它體積小而緊湊，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備受限的內(nèi)存約束。
小結(jié)
計算機的驚人進步是通過人們創(chuàng)造和使用系統(tǒng)抽象而實現(xiàn)的，操作系統(tǒng)的系統(tǒng)抽象只是用來組織大型系統(tǒng)的一些系統(tǒng)抽象。遺憾的是，現(xiàn)實生活中的工程師們很少討論大型程序以及編譯器的抽象，也很少討論系統(tǒng)抽象。如果沒有這些高級的抽象概念，很多大型系統(tǒng)都可能會成為無本之木，無水之源。
那么，系統(tǒng)抽象是否完全描述了計算？當然不是，計算是對自然的以及人工的信息處理過程的研究，而系統(tǒng)抽象只是用于設(shè)計和研究大規(guī)模、復雜信息系統(tǒng)中的眾多工具之一。
然而，或許操作系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域與我們相隔太遠，那么在我們?nèi)粘５能浖_發(fā)和系統(tǒng)架構(gòu)領(lǐng)域呢？
如何對我們的業(yè)務系統(tǒng)進行系統(tǒng)抽象呢？
系統(tǒng)抽象是如何影響架構(gòu)決策的呢？
架構(gòu)決策的持續(xù)性與系統(tǒng)抽象又是怎樣的關(guān)系呢？
