DBOS：未来的技术-数据库与操作系统的双向奔赴

如果你接触过PostgreSQL以及数据仓库系统，那么你一定要知道这样一位牛人：Michael Stonebraker：迈克尔·斯通布雷克。

当国内厂商还在以“诋毁友商产品、为友商造谣传播八卦”作为竞争力的时候，年过80的Michael Stonebraker依然活跃在数据库技术的最前沿。

都知道DBMS是一种用来管理数据的软件系统，安装在操作系统之上，但是你是否想过，未来有一种操作系统是以DBMS为核心进行统一数据管理的呢？

本文以Michael Stonebraker 2020年的一篇论文：DBOS: A Proposal for a Data-Centric Operating System为基础，探讨未来的一种以数据库为核心的操作系统技术路线，以及可能有哪些先进能力。

Michael Stonebraker 在2021年末还有一篇论文DBOS: A DBMS-oriented Operating System，对DBOS的设计有了更进一步的说明。

两篇内容的原文都放在本文末尾，供大家参考。

当前的操作系统已经非常臃肿，难以快速应对需求变化，更无法创新，难以扩展和提升安全性，主要原因是缺乏一个单一、集中的操作系统状态数据模型。

例如，Linux 内核包含数十个不同的数据结构，用于管理操作系统状态的不同部分，包括进程表、调度程序、页面缓存、网络数据包队列、命名空间、文件系统和许多权限表...

这种设计意味着，任何功能增加都产生巨大成本。如，为了提高 Linux 内核在多核上的可扩展性，十多年来一直在努力改进一个组件的可扩展性，但至今仍未完成。同样的还有很多先进、必要的功能，例如防止恶意篡改、安全模型等，也都是用了数年时间无法完成，目前还停留在学术原型阶段。

DBOS，在设计操作系统时明确将数据与计算分离，并将操作系统中的所有状态集中到一个统一的数据库中。进程表、调度器状态、流量表、权限表等都成为数据库表，从而使系统能够统一查询、管理这些状态。

例如OS组件在多核上查询某一状态，无需重新设计数十种数据结构，只需扩展对DBMS常用表操作即可实现。

同样，新的调试或安全功能只需针对表数据模型实施一次，而不需要对每个OS组件进行单独的集成工作。

最后，使OS状态显式隔离还能实现OS功能的彻底改变，如支持零停机更新、分布式扩展、丰富的监控和新的安全模型。

Unix 的开发理念是 "一切都是文件"，这一口号应更新为 "一切皆表"，所有操作系统状态都应存储在 DBMS 的表中，并为密集表、稀疏表和超稀疏表的查询和AI操作提供高性能声明式语义支持。

例如，应该有一个任务表，其中包含系统已知的每个任务的状态；一个流表，其中包含正在进行的网络流；一组表，用于表示文件系统等。

所有对操作系统状态更改都应通过 DBMS 事务进行，应尽可能利用 DBMS 执行所有功能，所有系统数据都应驻留在 DBMS 中，例如文件，应作为 blob 和表来支持。

通过如上设计，对DBMS进行简单查询就能够方便的完成以下工作，提高决策支持能力：

- 选择下一个要运行的任务

- 发现并行计算中的落伍者

- 查找负载过重（过轻）的资源

- 发现各种资源的使用情况

- 预测实时系统中的瓶颈问题

1、性能优化

操作系统的内核子系统经常要进行大量的重构，通过改变用于管理各种状态的数据结构来提高性能。DBOS中，仅需要在 DBMS 中更改索引或运算符实现。此外，DBMS 方法还能进一步提高目前系统架构无法实现的性能，比如基于成本的优化算法或自适应查询中期重新优化。

2、安全性

DBMS 访问控制工具（如基于视图、属性和角色的 ACL）可以优雅地实施 SELinux、AppArmor 和其他操作系统安全模块中的许多安全策略。此外，安全检查代码就可以编译到常规操作运行的查询中，而不是单独隔离在一个模块中增加操作开销 。

3、虚拟化和容器化

过去十年付出了巨大的工程努力，让操作系统单个实例能够承载多个应用程序，每个应用程序都能获得独立的系统环境抽象。而在 DBOS 中，虚拟化和容器化可以通过 DBMS 视图优雅地实现：每个容器的 DBMS 查询只能访问限制该容器 ID 对象的视图，而根用户可以访问所有对象。

4、地域分布性

云供应商的服务节点是地理分布的，事务复制是云计算所需的一项服务。地理上分散的 DBMS 可以轻松提供这种服务。这符合 "为了简单起见，任何功能只需实现一次 "的原则。尤其通过DBMS管理复杂文件时，可为文件系统管理减少大量代码成本。

当前的 DBMS 采用多种创新技术，速度比过去的 DBMS 快了很多，每秒可处理数千万个简单事务。而文件读/写就是这样的简单事务；实现更复杂的文件搜索也变得轻而易举。例如，查找过去 24 小时内访问过的特定目录下大小超过 1GByte 的所有文件，只需一个简单 SQL 查询即可。

最终的结果是，功能增加了，代码量减少了，性能大概率也会更有竞争力。

5、更好的调度

数据库管理系统中会有任务和资源表，记录内核、芯片、节点和数据中心上运行的任务以及可用资源。查找大型并行计算任务中的异常值只需要一个 SQL解决，能够通过更方便的方式分析大型系统的性能问题，建立更完善的计算调度任务，防止并行计算短板效应。

6,、强化状态管理

DBOS可以直接将应用程序状态分为两部分。第一部分是瞬时的，可以存储在 DBMS 外部的数据结构中。第二部分是持久的，必须以事务方式存储在 DBMS 中。当应用故障时，只需将应用转移到一个新实例即可。该实例从 DBMS 中读取持久状态，然后恢复计算。这种故障切换架构由 Tandem Computers 在 20 世纪 80 年代率先提出。

数据通信能力提升。

操作系统之间的数据通信可以很容易地表示为DBMS之间的数据联通操作。无论是拉动式（pull-based）系统，还是推式（push-based）通信，都能更容易地扩展成多个发送方和接收方；简化了程序设计，允许程序员轻松实现非阻塞发送程序，结合RDMA 和内核旁路等技术，可以实现一个数量级的性能提升。

隐私数据保护。

简洁的 DBMS 设计有助于在 DBMS 内部查找和删除用户个人信息数据。而面对数据在不同应用系统中传输时，DBMS能够更方便的跟踪记录这些数据的传输链路。

数据防篡改。

DBOS中任何数据的操作都将被记录，这将支持解决数据溯源、数据防篡改等问题，只需要对应的日志处理程序。

通过ML实现真正通用。

任何操作系统在支撑不同业务时都要经过个性化参数优化，但DBOS系统数据全部记录在DBMS中，通过ML技术完全可以实现自动优化与自适应，无需用户进行定制化参数调试，做成真正的“通用”型OS。

复杂硬件管理。

传统操作系统是为了解决数十年前的简单硬件环境设计的，但是增加了大量的新业务需求以后，面对当前大规模并发硬件（数百核CPU、GPU、TPU、SSD、SCM...）时显得力不从心。而DBMS系统在处理复杂数据时更具备优势。

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