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Fuchsia概略その1
- 1. Fuchsia 概略その 1 横浜 Android and モバイル OS プラットフォーム部 第 40 回勉強会 2018/4/21 @l_b__
- 2. 今日の内容 ● 2016 年 8 月に突如公開された Google の OS Fuchsia について概略を簡単に。 ● 内容は https://fuchsia.googlesource.com/docs/+/master/README.md に書かれていることがメインです。 ● 今回はカーネルとその上の OS 基本機能まで で、アプリケーション実行環境はほとんど 触れていません。
- 3. 自己紹介 ● Twitter ID:@l_b__ ● PF 部の司会進行役 兼 懇親会手配役 兼 配信 係 兼 雑用係 ● フレームワーク周りが好物です ● BeOS 好きだったのと Java-er なので Be 関 係者が多い ( 多かった )Android に惹かれま したので Fuchsia にも。 ● 仕事は某 SIer で Android フレームワーク修正 からアプリ作成までやっていましたがここ
- 4. Fuchsia とは
- 6. Fuchsia とは ● 一番の特徴として Linux カーネルを使用して いない OS 。 ● 公開当初は Magenta 、現在は Zircon と呼ば れるマイクロカーネルを使用している。 ● ユーザーランドも新規構築された Linux とも Android とも全く異なるシステム。
- 7. Fuchsia とは ● GUI やアプリケーションフレームワークを持 つので、様々な用途に使用できそうだが、 いつ何に使用されるかは明確にされていな い。 – 現状の対応アーキテクチャは x64 と ARM ● 噂レベルでは Android や ChromeOS の置き 換えという話もあるが…
- 8. Fuchsia とは ● Web ブラウザ上で動く非オフィシャルな GUI デモが公開されている。 – https://mgoulao.github.io/fuchsia-web-demo/
- 9. ソースの取得とビルド ● https://fuchsia.googlesource.com/docs/+/master/d ● https://fuchsia.googlesource.com/docs/+/master/g ● repo ライクな jiri を使ってソースを取得 ● fx set x64 or arm64 でターゲット設定 ● fx full-build でビルド ● ビルドツールは Ninja
- 10. 実行 (QEMU) ● fx run でソースツリーに含まれる QEMU 上 で実行 – fx run -g でグラフィック有効にして実行とあ るが ...
- 11. ディレクトリ構成 $ ls / blob boot カーネル、デバイスドライバ、システムコマンド data ローカル永続ストレージ dev デバイスツリー install pkgfs svc コンポーネントに提供されるサービス system システム実行ファイル、ライブラリ tmp 一時記憶域 volume ※ 正確な意味は Namespace の項を参照
- 12. 起動時プロセス
- 13. Fuchsia の構成
- 14. Fuchsia の Layer ● Fuchsia は以下の 4Layer で構成される Layer 名 概要 Zircon OS 基盤。カーネルやデバイスマネージャ、デバイスドライ バ、 libc やその他システムライブラリ、 FIDL 、 C/C++ バックエ ンドが含まれる。 Garnet システムサービス。ネットワーク、メディア、グラフィック、 パッケージ管理、アップデートシステムが含まれる。 Peridot マルチデバイスユーザーエクスペリエンスの作成に必要なサービ ス。デバイス、ユーザー、 Story Runner 、 Ledger 、 Resolver が 含まれる。 Topaz Module( カレンダ、 E メール、ターミナル等 ) 、 Agent(E メール / チャットコンテンツプロバイダ等 ) 、 Shell （ベースシェル、ユー ザーシェル）、 Runner （ Web/Dart/Flutter Runner ）の 4 つの主 要なソフトウェアカテゴリが含まれる。
- 15. Zircon
- 16. Zircon とは ● マイクロカーネル ( ソースツリーの zircon/kernel 以下 ) とユーザー空間のシス テムサービス、ドライバ、ライブラリ (zircon/system 以下 ) で構成される OS 基盤
- 17. Zircon カーネル ● 元々は Magenta という名前でリリースされ た。 ● 元になったのは組み込み機器向けの LittleKernel(LK) – https://github.com/littlekernel/lk ● Qualcomm が Android のセカンドブートロー ダーとして採用。 – https://android.googlesource.com/kernel/lk/
- 18. LK ● LK を作ったのは Fuchsia の初期開発者の一 人、 Travis Geiselbrecht 氏。 ● NewOS の作者でもある。 NewOS は BeOS の後継を目指す Haiku OS のカーネルとし て採用されている。 ● 同じく Fuchsia の初期開発者である Brian Swetland 氏と共に、そもそも BeOS のカー ネル開発者の一人。
- 19. Zircon カーネルと LK の違い ● LK は小さな組み込み機器向け、 Zircon は携 帯電話や PC などが対象。 ● Zircon は LK に C++ のラッパーを被せ、 LK には無いプロセスの概念等を追加してい る。 ● LK では全てのコードが信頼される が、 Zircon は Capability-based security が 採用されている。
- 20. Zircon カーネルのコンセプト ● Zircon カーネルは様々なカーネルオブジェク トを管理している。 – Process オブジェクト、 Thread オブジェク ト、仮想メモリオブジェクト、 Channel オ ブジェクト、 Socket オブジェクト etc ● ユーザー空間のコードは、システムコールを 介してカーネルオブジェクトのハンドルを 取得し対話することでカーネル機能を利用 する。
- 21. システムコール ● https://fuchsia.googlesource.com/zircon/+/master ● システムコールは仮想ダイナミック共有オブ ジェクト (vDSO) である libzircon.so によっ て C ELF ABI 関数として提供される。
- 22. カーネルオブジェクト カテゴリ オブジェクト 概要 IPC Channel 双方向のプロセス間通信 Socket 双方向ストリーム型通信 FIFO FIFO キュー
- 23. カーネルオブジェクト カテゴリ オブジェクト 概要 Tasks Process プロセス 一つ以上のスレッドによって実行される命令と リソースの集合 Thread スレッド 時分割共有 CPU 実行コンテキストを表す構造 体 Job プロセスのグループを制御 Task “Runnable”(suspend/resume/kill 可能 ) なカーネ ルオブジェクト。 Process 、 Thread 、 Job は全て Task 。
- 24. カーネルオブジェクト カテゴリ オブジェクト 概要 Signaling Event ユーザーが通知出来るオブジェクト Event Pair 並行プログラミングで使用される、相互に通知 可能な Event のペア Futex Fast Userspace muTEX
- 25. カーネルオブジェクト カテゴリ オブジェクト 概要 Memory and address space Virtual Memory Object 仮想メモリコンテナ Virtual Memory Address Region 仮想メモリアドレス空間の連続領域 Bus Transaction Initiator DMA 機能
- 26. カーネルオブジェクト カテゴリ オブジェクト 概要 Waiting Port シグナリングとメールボックスを表すプリミ ティブ Kernel objects for drivers Interrupts UserMode I/O の割り込み Resource 階層的なリソース権限管理 Log カーネルデバッグログ
- 27. Zircon デバイスモデル ● Zircon ではデバイスドライバはユーザー空間 の DeviceHost(DevHost) プロセスにロード される共有ライブラリ (.so) として実装され る。 ● DeviceManager(devmgr) プロセスがドライバ の発見、デバイスとドライバの追 跡、 DeviceHost プロセス生成・管 理、 DeviceFilesystem の管理を行う。
- 28. Zircon デバイスモデル ● 実行されているデバイスツリーは dm dump コマンドで表示可能 – DeviceFilesystem の /dev/sys 配下に bind され る。 ● posix スタイルの open/close/read/write と ioctl がサポートされる。 – 将来的には Fuchsia's IDL(FIDL) がサポートさ れる予定
- 29. libc ● Zircon は Posix システムコールインター フェースをサポートしないため、 Posix モ デルの C 関数を必ずしもサポートしない。 – 例えば signal/fork/exec はサポートしない ● Fuchsia ではプログラムは自由に自前の libc を使用できる。ただし Fuchsia は各プログ ラムが動的リンクできる libc.so を提供す る。
- 30. libc ● Zircon は Posix システムコールインター フェースをサポートしないため、 Posix モ デルの C 関数を必ずしもサポートしない。 – 例えば signal/fork/exec はサポートしない ● Fuchsia ではプログラムは自由に自前の libc を使用できる。ただし Fuchsia は各プログ ラムが動的リンクできる libc.so を提供す る。
- 31. libc ● Fuchsia の libc は C11 標準を実装している。 ● Fuchsia では Filesystem はユーザー空間に実 装されるため、 libc に File I/O 関数は用意 はされるが呼び出しは必ず失敗す る。 libfdio.so をリンクすることで Channel IPC 経由で File や BSD Socket を使用する 事が可能になる。
- 32. libc ● pthread は一部が実装される。コア部分と pthread_mutex_t のような同期プリミティ ブがサポートされる。 ● Signal はサポートされない。そのため libc は シグナルセーフの概念を持たない。 ● fork と exec はサポートされない。プロセス 生成には代わりに launchpad が使用され る。
- 33. libfdio ● fdio はファイル、ソケット、サービス、パイ プなどのリソースに統一されたインター フェースを提供する。 ● read 、 write 、 open 、 close 、 seek などの 関数を定義し、 Channel を使って該当する Filesystem Server や NetworkStack へのア クセスを提供する。
- 34. liblaunchpad ● launchpad は新しいプロセスを生成 / 開始す る機能を提供するライブラリ。 ● 詳細ドキュメントはヘッダファイルに記述さ れている。
- 35. ユーザー空間の起動シーケンス ● Zircon から Fuchsia が起動される際には以下 の通りとなる。 – ※ ドキュメントの記述は古い可能性あり ● 1. appmgr – appmgr は環境ツリーをホストし、その環境で プロセスを生成する。 – appmgr は空の root 環境を生成 し、 /system/data/appmgr/initial.config に記 述された最初のアプリケーションを作成す る。 ● ※QEMU 環境上にはこのファイルが存在しない
- 36. ユーザー空間の起動シーケンス ● 2. sysmgr – ブート環境を作成し、ブート環境で複数の初 期アプリケーションを作成する。 – sysmgr が最初にサービスへの要求を受け取る と、 sysmgr は遅れてそのサービスを実装す るアプリケーションを作成し、そのアプリ ケーションに要求をルーティングする。どの アプリケーションがどのサービスを実装して いるか は /system/data/bootstrap/services.config に 記述される。
- 37. ユーザー空間の起動シーケンス ● 2. sysmgr – 起動時に実行するアプリケーションのリスト は、 /system/data/bootstrap/apps.config ファ イルに記述される。 ● ※QEMU 環境には /system/data/bootstrap 以下 が存在しない
- 38. ユーザー空間の起動シーケンス ● 3. device_runner – ユーザーログインとユーザー管理のための対 話型フローを設定する。 – システムのルートビューにアクセス し、 Device Shell を起動し、ルートビューに Device Shell を描画する。 – User Provider FIDL API を介して Device Shell に公開されるユーザーデータベースも管理す る。
- 39. FIDL ● Fuchsia Interface Definition Language (FIDL) はプログラムで使用されるプロセス間通信 （ IPC ）プロトコルを記述するために使用 される。 – ※AIDL のようなもの ● C/C++/Go/Rust 向けのバインディングが提供 されている。
- 41. Namespace ● “ls / “ と打つと、シェルの Namespace からア クセス可能なオブジェクトのリストが表示 される。 – Fuchsia には " ルートファイルシステム " は無 い。 ● グローバル "root" 名前空間は無い。各コン ポーネントが独自の root を持っているの で、「 chroot-ed 環境で実行」という概念 が無い。
- 42. Namespace ● ファイルへのアクセスを制御するために使用 されるメカニズムを使用して、サービスお よびその他の名前付きオブジェクトへのア クセスをコンポーネントごとに制御するこ とが可能。 ● Namespace 内のアイテムは Object と呼ばれ る。 – Files,Directories,Sockets,Services,Devices,Ac cessing Objects
- 44. Namespace ● Namespace への参加者 – ファイルシステム ● ファイルを Namespace で利用できるようにす る。 ● 他の Namespace に属するファイルのようなオ ブジェクトをパブリッシュする単なるコン ポーネント – サービス ● 名前空間を使用して検出できる FIDL インタ フェースの実装を提供するオブジェクト
- 45. Namespace – コンポーネント ● ある環境内でインスタンス化さ れ、 Namespace が与えられた実行可能プロ グラムオブジェクト – 環境 ● コンポーネントのコンテナ。コンポーネントが アクセスできるオブジェクトと、名前による サービスの要求が特定の実装にどのようにバ インドされるかを決定する。
- 46. BlockDevice ● Fuchsia の BlockDevice は、他のデバイスド ライバと同様に IPC 経由でアクセス可能な ユーザスペースサービスとして実装されて いる。 ● BlockDevice への読み書き要求は DevHost プ ロセスへ RPC メッセージとして送信さ れ、 DevHost はドライバが理解できる I / O トランザクションに変換する。最終的に BlockDevice ドライバから実際の HW へ送 信される。
- 47. ファイルシステム ● Fuchsia のファイルシステムはカーネルでは なくユーザー空間に存在する。 – カーネルはファイル、ディレクトリ、ファイ ルシステムに関する情報を持たない。 ● ファイルシステムへのアクセスは、ファイル システムサーバーとの通信 Channel 上の送 受信メッセージに限られる。 – このプロトコルを実装すれば、仮想ファイル システムとしての機能アクセスが可能。
- 48. ファイルシステム ● Fuchsia では Namespace はクライアント内 に存在する小さなファイルシステムであ る。典型的な " グローバル”ファイルシステ ムの代わりに、 Fuchsia のプロセスには root を表すディレクトリハンドルを提供す ることが可能で、 Namespace の範囲を制 限できる。
- 49. ファイルシステム ● 現在のファイルシステムは以下の通り – MemFS ：メモリ内ファイルシステム ● / tmp のような一時ファイルシステムや /boot に 使用されている。 – MinFS ：永続的なファイルシステム ● 単純な従来のファイルシステム。 MemFS とは 異なり、ブロックデバイスへの追加ハンドル が必要。フォーマット用の "mkfs" 、検証用 の "fsck","mount”,"umount” が提供される。
- 50. ファイルシステム – Blobfs ：不変の完全性検証パッケージ記憶 ファイルシステム ● Blobfs は、アプリケーションパッケージなどの 「追記型、読み取り専用」の署名付きデータ 用に最適化された単純でフラットなファイル システム。 – ThinFS ： Go で書かれた FAT ファイルシステ ム
- 51. Ledger ● 各アプリケーション ( 正確には各コンポーネ ント ) に提供される個別のデータストア。 コンポーネントのコンテキストを通して Fuchsia フレームワークによってクライア ントアプリケーションに提供される。 ● 同じユーザーの他のアプリ、同じアプリの他 のユーザーからは非公開。 ● 各データストアはクラウドプロバイダを介し て、そのユーザーのデバイス間で透過的に