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系统的抽象
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抽象是一种思维结构，它组织思维，以加快可靠计算的设计和构建，经常被认为是计算思维的基本原则。3.我们遗憾的是，面向K-12年级的计算机专业课程针对的是初学者，却很少暗示计算机专业人员在工作中使用的抽象概念。当2021年图灵奖庆祝Alfred Aho和Jeff Ullman设计的编程语言和编译器抽象时，向揭示更多高级抽象的方向迈出了一步。1在本专栏中，我将继续介绍一些抽象的例子，这些抽象是为操作系统发明的，并扩展到计算的其他领域。
计算机专业人士发明了这些高级的“系统抽象”来处理对于单独的程序员来说太大的大型系统。我先从操作系统的一些重要问题开始。
你好,操作系统
也许操作系统中最基本的抽象是“进程”，意思是正在执行的程序。这个想法是为了解决早期操作系统的可靠性问题而发明的。
1960年至1965年间，操作系统设计者着手构建计算机实用程序——强大的计算系统，将计算能力廉价地分布在大型用户网络中。这些系统旨在集成时间共享、虚拟内存、输入-输出流、共享文件系统、目录系统和编程支持接口方面的大量新发明。这些发明最大化了信息共享，最小化了开发时间，并将昂贵的CPU和内存资源的成本分摊到许多用户身上。
大约在1960年，大型程序的主要抽象是“模块和接口”。它要求将复杂的系统分解成简单的模块，通过它们的接口交换信息。例如，操作系统可以用作业和CPU调度、内存管理、输入输出、文件、目录和编程接口支持等模块来组织。不幸的是，这种方法没有奏效。无论设计人员如何仔细地指定模块功能和接口，当模块连接在一起并承受用户工作负载时，系统总是会崩溃。调试极其困难。
问题是，模块是一种控制结构，用于指导CPU一次完成一个任务。然而，操作系统必须为许多用户管理许多计算。没有简单的方法来可视化许多用户同时通过模块及其接口的工作。大系统不仅仅是拥有更多用户的小系统;多个用户在实现私有内存、共享文件和内存以及争夺有限的CPU、设备和内存资源时创建了新的动态。这些动态包括竞争条件、死锁、繁忙等待、数据在内存级别之间循环、对文件的访问、用户通过创建新的自治服务来扩展系统，以及预测吞吐量和响应时间。需要一种新的思维方式。这种新的思想被称为并发控制。
1964年出现的流程抽象为其他问题提供了优雅的解决方案。进程不仅仅是一个正在执行的程序。它是一个自主代理，根据请求为其他流程执行服务。进程是需要CPU时间和内存空间、与其他进程同步、创建和访问文件、搜索目录、响应事件以及与其他进程啮合以形成动态计算结构的实体。
进程的思想衍生出另一个重要的抽象概念——非终止计算。服务流程被设计成无限循环。在完成请求后，服务流程将返回到“归位”并等待下一个传入请求。隐藏在后台的守护进程执行有益的管理功能，如内存回收或将修改过的内存内容写回磁盘。设计师们学会了用持续运行的计算系统来思考问题。到20世纪60年代末，大多数操作系统设计师将操作系统视为一个合作的社会，其中大部分是不终止的进程，而不是堆积如山的模块。今天，您的笔记本电脑的活动监视器通常会显示您的操作系统正在运行200到500个进程。
相比之下，目前大多数编程课程只教授独立的终止程序:那些从输入开始，到输出结束的程序。在这个上下文中，一个非终止程序看起来像一个错误——无限循环。
系统的抽象
系统抽象对于构建具有大量进程、用户、设备和网络连接的大型复杂系统至关重要。每个主要的计算系统领域都有自己的特征抽象。2例如，Internet有用于寻址主机的IP协议、用于克服噪声传输的TCP协议、域名命名、url、Web页面、标记语言等等。云具有通用的无限名称空间、不可伪造的指向存储文件的指针、数据中心、防止数据丢失的冗余等等。数据库系统有记录、字段、表、投影、连接、查询、原子事务、持久存储、文件向存储的永久承诺等等。这样的例子不胜枚举。
进程不仅仅是一个正在执行的程序。
计算系统复杂性的一个主要来源是大量的数字对象。系统抽象以两种方式简化了这种复杂性。首先，他们将所有同类对象合并到一个类中，并为所有对象设计一个管理器。管理器为允许进程在这些对象上执行的操作提供了一个接口。其次，类管理器为对象分配唯一的名称，并验证每一次访问以获得授权。必须保护包含这些名称和访问代码的指针不被更改。侧栏“文件的抽象说明了文件管理器的这些思想。
功能
在操作系统和云存储中，对指向对象的不可更改指针的需求通过一种称为“能力”的较低级抽象得到满足。能力是一个位包，由(类型、访问、句柄)字段组成。type字段表示对象的类型。access字段是一个多位代码，指定可以对该对象执行类操作的哪个子集。句柄字段是对象的唯一代码，它将对象与其他所有相同类型的对象区别开来。
只要功能保留在内核空间中，它们就会受到保护，因为没有任何用户进程可以更改内核空间中的任何内容。当它们被传递到外部时，它们被一个加密校验和增强，使接收者能够验证它们自创建以来没有被更改。
能力在1966年被引入，并成为实现面向对象编程语言的原则。4它们被用于一些云存储系统，如TAHOE-LAS，以保证文件的私密性。
许多层次的抽象
一类对象的系统抽象可以被描述为“抽象机器”，它的指令集是在接口上提供的操作，它隐藏的内部数据结构跟踪所有对象。文件管理器就是一个例子。
在操作系统和网络中，我们可以将抽象堆叠成一系列的层次。每个级别都可以由较低级别定义的抽象组成，但不能使用有关较高级别抽象的任何信息。
这种分层的第一个工作例子是多程序设计系统，由Edsger Dijkstra于1965年设计。5这个想法已经扩展到现代操作系统。典型的渲染是:
- 中断和堆栈
- 流程和信号量
- 虚拟内存
- 消息交换
- 互联网的命名
- I/O流(文件、管道、设备)
- 目录
- 虚拟机
- Shell(用户界面)
- 服务
1-5级是微内核;它们以内核模式运行，可以访问所有内存。级别6-10是用户内核;它们以用户模式运行，只能访问调用它们的进程的私有内存。每一层都是一个抽象机器，它管理该层的对象类。
第10级是内核之外的用户服务集合，如图形用户界面、应用程序库(app)和性能分析工具。每个用户服务都有自己的系统抽象。
对象和操作可以由低级对象和操作组成。实际上，一个层次的抽象机器被嵌套在抽象机器内部，用于上一个层次。抽象机器的用户界面由所有嵌套机器的接口的联合组成。这种嵌套对高层隐藏了较低级别的细节。
在这一堆层次中，程序员必须设计成只向下调用而不向上调用。这可以防止循环等待(死锁)和自引用代码循环，并允许系统一次验证和测试一个级别。6这种限制要求重新定位思维。例如，考虑一个文件管理器程序员想要使用一个文件作为目录的容器。这似乎需要从文件管理器(级别6)向上调用目录管理器(级别7)，请求创建一个文件管理器可以填充的目录。为了避免向上调用，我们将创建目录和填充文件的职责转移到shell(级别9)。shell可以向下调用级别7来创建目录，然后调用级别6来将文件加载到目录中。这种思维的重新定位简化了代码，并消除了任何与循环有关的问题。
分层系统抽象有一个意想不到的回报。许多设计师反对Dijkstra的提议，担心它过于简化、过于约束、失去功能。约束会引入复杂性来绕过它们。事情不是这样的。毫无疑问，分层系统会导致更小的内核。较小的内核速度更快，更容易测试和验证。多年来，唯一被证明是安全的操作系统被分层结构。现代的Sel4内核就是最新的例子。它体积小，结构紧凑，适合于物联网设备有限的记忆。
结论
计算机的许多惊人进步都是由设计师创造和使用系统抽象实现的。这里概述的操作系统抽象只是用于组织大型系统的一些系统抽象。令人遗憾的是，在提供给新人的CT课程中，很少有关于大型程序和编译器的抽象，也没有关于系统抽象的讨论。如果没有这些高级的抽象概念，CT对于专业人士来说是毫无意义的。
抽象、系统或其他方式是否完全描述了计算?我认为不是。计算是对自然和人工信息处理过程的研究。系统抽象是我们用于设计和研究大规模、复杂信息过程的众多工具之一。
参考文献
1.Aho, A.和Ullman, J. Abstractions，他们的算法和编译器。Commun。ACM 65， 2(2022年2月)，76-91。
2.丹宁，pj和马泰尔，C。伟大的计算原理。麻省理工学院出版社,2015年。
3.丹宁，P.J.和泰德，M。计算思维。麻省理工学院出版社,2019年。
4.多程序计算的程序语义。Commun。ACM 9， 3(1966年3月)，143-155。
5.“The”多程序设计系统的结构。Commun。ACM 11， 5(1968年5月)，341-346。
6.Habermann, N.， Flon, L.和cooper, L.操作系统家族中的模块化和层次结构。Commun。ACM 19， 5(1976年5月)，266-272。
栏:文件抽象
文件是一种常见的数字对象。文件是位字符串的容器，有名称和大小。该文件本身是存储在磁盘内存中的一组固定大小的记录的抽象，这些记录以树结构的形式存储在索引表中。文件的用户看不到记录、树和索引表。
文件管理器是管理文件的软件子系统，提供了六种基本操作——参见这里的图。CREATE创建一个新文件，DELETE删除一个文件。OPEN将一个文件的所有组件记录的副本收集到主存缓冲区中的线性文件映像中。CLOSE将缓冲区复制回其组件记录，并删除缓冲区。之所以需要这个缓冲区，是因为直接对内存结构进行读写将会慢得难以忍受。文件缓冲区是文件管理器管理的第二种类型的对象。
READ操作将打开的缓冲区的内容复制到调用者的长度内存区域l从地址年代表示(年代,L)。WRITE操作从调用者的内存区域复制数据(年代,L)进入缓冲区，替换缓冲区中先前的内容。
这当然是文件系统接口的简化视图。实际的文件系统可能有更多的操作，在磁盘上使用更复杂的树结构，并允许增量地读写缓冲区。
附图的左侧显示了用户界面中涉及的功能。这里，类型F表示文件能力，类型B表示缓冲能力。CREATE命令创建一个文件功能，该功能可以用作DELETE和OPEN命令的参数。OPEN命令创建一个可以被CLOSE、READ和WRITE命令使用的缓冲区能力。隐藏在文件管理器中的是映射文件句柄(fh)到磁盘和映射缓冲区句柄(bh)到主内存缓冲区的表。
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