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What is Metasepi?
- 1. What is Metasepi? Kiwamu Okabe
- 3. プロローグ
- 4. おしながき ☆ Metasepiとは何か ☆ なぜMetasepiを作るのか ☆ 開発の戦略 (POSIX互換、スナッチ開発) ☆ 実現方法 (NetBSDとjhcの採用) ☆ デモ ☆ Metasepiの今後
- 5. Metasepiって何？ ☆ http://metasepi.masterq.net/ ☆ UNIXモドキkernelを型によって設計する ☆ C言語での記述はできるかぎり小さく ☆ 設計言語はHaskellでもOCamlでも ☆ とにかく早くドッグフード可能にしよう!
- 6. 名前の由来 ☆ コウイカの一種 Metasepia pfefferi ☆ コウイカは大きな骨を持つ (型システム) ☆ 墨はセピア色の原料 (古いOS領域に光を) ☆ 威嚇のために体色を変える (最適な設計に) ☆ λカ娘がイカちゃんだから http://www.paraiso-lang.org/ikmsm/
- 8. C言語より進化した機能って？ ☆ パターンマッチ ☆ パッケージ ☆ 名前空間 ☆ 型推論 ☆ 対話環境 ☆ 高階関数 ☆ GC
- 9. そんな言語あるの？ 以下の言語はコンパイラで型推論を持つ。 ☆ Clean - http://clean.cs.ru.nl/ ☆ Coq - http://coq.inria.fr/ ☆ Haskell - http://www.haskell.org/ ☆ OCaml - http://caml.inria.fr/ ☆ SML/NJ - http://www.smlnj.org/ などなど
- 10. 安全に改造？ OSSをほぼそのまま製品搭載できれば良いの ですが、 機能を追加して製品設計するハメに なることはありませんか？ ☆ システムコール追加 ☆ 起動時間改善 ☆ 気色わるいメモリマップ ☆ ソフトリアルタイムスケジューラ などなど
- 11. OSS改造あるある: fork
- 12. OSS改造あるある: merge
- 14. なぜこんなことに？
- 15. でも改造するのは本家も同じ
- 16. 既存コード改造工数を減らさねば ☆ マネージャにmergeタイミング説得できない ☆ 数々のforkが生まれるだけ？ ☆ このままではOSS社会は崩壊しまう...
- 17. 一方MSは着々と手を打っている #1 デバイスドライバに対する静的検証ツールを WDKで配布。 http://msdn.microsoft.com/ja-jp/library/windows/hardware/ gg487498.aspx "Static Driver Verifier (SDV) は、カーネル モード ドライバー用に設 計されている、コンパイル時用の徹底した静的な検証ツールで、 徹底した テストでも発見されない可能性がある重大なエラーを検出します。 SDV は、C および C++ で記述されている Windows ドライバーのソース コード を体系的に分析します。 一連のインターフェイスの規則とオペレーティン グ システムのモデルを使用して、ドライバーが Windows オペレーティン グ システムと適切に動作しているかどうかを判断します。"
- 18. 一方MSは着々と手を打っている #2 http://research.microsoft.com/en-us/projects/singularity/ "Singularity は マイクロソフトリサーチ が 2003年から実験的に開発しているオペレーテ ィングシステム (OS)。高度なディペンダブル OSとすることを目標とし、カーネルやデバイス ドライバ、アプリケーションも全てマネージコード で書かれている。" "バージョン1.1は2007年3月、バージョン2.0 は2008年11月14日にリリースされ、開発は現 在も進行中である。"
- 21. Metasepiはどうやって設計するの？ ☆ 既存のモノリシックkernelと同じ設計に ☆ 当然POSIX互換 ☆ 既存kernelを少しずつ型で再設計 ☆ 動作可能状態を保ちながら開発(スナッチ) この設計をアラフラと呼ぶことにします。 http://metasepi.masterq.net/posts/2013-01-09-design_arafura.html
- 24. 実現方法 ☆ 開発言語: Haskell http://www.haskell.org/ ☆ コンパイラ: jhc http://repetae.net/computer/jhc/ ☆ 元にするkernel: NetBSD http://netbsd.org/
- 25. プログラミング言語Haskell ☆ 純粋関数型プログラミング言語 ☆ 型クラスによる柔軟な表現 ☆ gcc比較で2.36のパフォーマンス http://benchmarksgame.alioth.debian.org/u64/which-programs-are- fastest.php ☆ 近年はOCamlよりもプログラマが多い？
- 28. jhcのRTSは小さい ☆ RTS = ランタイム = VMみたいなもん ☆ C言語のみで記述されている ☆ コメント込み3000行 ☆ これなら改造/自作できそう ☆ 実はプリミティブ型がC言語型 ☆ C言語との相性が良い
- 29. NetBSD kernel ☆ 移植性高い = 高い抽象化 ☆ POSIX互換モノリシックkernel ☆ ソースコード読みやすい ☆ kernel内部APIドキュメント豊富 http://netbsdman.masterq.net/ ☆ @master_q が昔仕事でいじってた
- 30. 技術背景: 過去プロジェクトの失敗 ☆ 同様の試みは他にもある * Funk (OCaml製) http://home.gna.org/funk/ * snowflake-os (OCaml製) http://code.google.com/p/snowflake-os/ * House (Haskell製) http://programatica.cs.pdx.edu/House/ * HaLVM (Haskell製) http://corp.galois.com/halvm/ ☆ しかし実用化には至っていない ☆ スクラッチからkernelを書くのは無謀では？
- 31. 作り方:NetBSD kernelを型で写経 ☆ C言語で書かれた ☆ NetBSD kernelを ☆ Haskellで少しずつ再設計して (スナッチ) ☆ jhcでコンパイルする
- 32. 具体例: bootloader 元 /* https://gitorious.org/metasepi/netbsd-arafura/blobs/arafura/sys/ arch/i386/stand/lib/menuutils.c */ const struct bootblk_command commands[] = { { "help", command_help }, { "boot", command_boot }, { NULL, NULL }, }; void bootmenu(void) { char input[80]; for (;;) { char *c = input; input[0] = '0'; printf("> "); gets(input); while (*c == ' ') c++; if (*c) docommand(c); } }
- 33. 具体例: bootloader スナッチ -- https://gitorious.org/metasepi/netbsd-arafura/blobs/arafura/ metasepi-arafura/sys/arch/i386/stand/boot/Boot2Ara.hs foreign import ccall "glue_netbsdstand.h command_boot" c_command_boot :: Ptr a -> IO () commands :: Map String (IO ()) commands = Map.fromList [("help", command_help), ("?", command_help), ("boot", c_command_boot nullPtr)] main :: IO () main = do putStrLn "Haskell bootmenu" forever $ do putStr "> " s <- getLine fromMaybe (putStr s) $ Map.lookup s commands
- 34. 具体例: kernel 元 #1 /* https://gitorious.org/metasepi/netbsd-arafura/blobs/arafura/sys/ sys/lwp.h */ struct lwp { /* --snip-- */ int l_flag; int l_stat; /* --snip-- */ }; /* These flags are kept in l_flag. */ #define LW_IDLE 0x00000001 #define LW_LWPCTL 0x00000002 #define LW_SINTR 0x00000080 #define LW_SA_SWITCHING 0x00000100 #define LW_SYSTEM 0x00000200 #define LW_SA 0x00000400 #define LW_WSUSPEND 0x00020000 /* Status values. */ #define LSIDL 1 #define LSRUN 2 #define LSSLEEP 3 #define LSSTOP 4 #define LSZOMB 5
- 35. 具体例: kernel 元 #2 /* https://gitorious.org/metasepi/netbsd-arafura/blobs/arafura/sys/ kern/kern_lwp.c */ switch (t->l_stat) { case LSRUN: case LSONPROC: t->l_flag |= LW_WSUSPEND; lwp_need_userret(t); lwp_unlock(t); break; case LSSLEEP: t->l_flag |= LW_WSUSPEND; if ((t->l_flag & LW_SINTR) != 0) setrunnable(t); else lwp_unlock(t); break; case LSSUSPENDED: lwp_unlock(t); break; case LSSTOP: t->l_flag |= LW_WSUSPEND; setrunnable(t); break;
- 36. 具体例: kernel スナッチ #1 data Lflag = Lflag { lwIdle :: Bool , lwLwpctl :: Bool , lwSintr :: Bool , lwSaSwitching :: Bool , lwSystem :: Bool , lwSa :: Bool , lwWsuspend :: Bool } data Lstat = LsIdl | LsRun | LsSleep | LsStop | LsZomb | LsOnProc | LsSuspended data Lwp = Lwp { lflag :: Lflag , lstat :: Lstat {-- ...... --} } data ErrNo = Eperm | Enoent | Esrch | Eintr | Eio | Enxio | E2big | Enoexec | Ebadf | Echild | Edeadlk
- 37. 具体例: kernel スナッチ #2 lwpSuspend :: Lwp -> Lwp -> IO (Either ErrNo ()) lwpSuspend curl t = go $ lstat t where go LsRun = fRunOnproc go LsOnProc = fRunOnproc go LsSleep = do lwpSetFlag lwWsuspend if lwSintr . lflag $ t then setRunnable t else lwpUnlock t return $ Right () go LsSuspended = do lwpUnlock t return $ Right () go LsStop = do lwpSetFlag lwWsuspend setRunnable t return $ Right () go LsIdl = fIdlZomb go LsZomb = fIdlZomb fRunOnproc = do lwpSetFlag lwWsuspend lwpNeedUserret t lwpUnlock t return $ Right () fIdlZomb = do lwpUnlock t return $ Left Eintr
- 38. 具体例: デバドラ 元 #1 /* https://gitorious.org/metasepi/netbsd-arafura/blobs/arafura/sys/ dev/usb/ehcireg.h */ #define EHCI_USBINTR 0x08 /* RW Interrupt register */ #define EHCI_USBSTS 0x04 /* RO, RW, RWC Status */ #define EHCI_STS_IAA 0x00000020 /* intr on async adv */ #define EHCI_STS_PCD 0x00000004 /* port change detect */ #define EHCI_STS_ERRINT 0x00000002 /* error interrupt */ #define EHCI_STS_INT 0x00000001 /* RWC interrupt */ #define EHCI_STS_INTRS(x) ((x) & 0x3f) /* https://gitorious.org/metasepi/netbsd-arafura/blobs/arafura/sys/ dev/usb/ehcivar.h */ #define EREAD4(sc, a) bus_space_read_4((sc)->iot, (sc)->ioh, (a)) #define EWRITE4(sc, a, x) bus_space_write_4((sc)->iot, (sc)->ioh, (a), (x)) #define EOREAD4(sc, a) bus_space_read_4((sc)->iot, (sc)->ioh, (sc)- >sc_offs+(a)) #define EOWRITE4(sc, a, x) bus_space_write_4((sc)->iot, (sc)->ioh, (sc)->sc_offs+(a), (x))
- 39. 具体例: デバドラ 元 #2 /* https://gitorious.org/metasepi/netbsd-arafura/blobs/arafura/sys/ dev/usb/ehci.c */ Static int ehci_intr1(ehci_softc_t *sc) { u_int32_t intrs, eintrs; intrs = EHCI_STS_INTRS(EOREAD4(sc, EHCI_USBSTS)); eintrs = intrs & sc->sc_eintrs; EOWRITE4(sc, EHCI_USBSTS, intrs); /* Acknowledge */ if (eintrs & EHCI_STS_IAA) { wakeup(&sc->sc_async_head); eintrs &= ~EHCI_STS_IAA; } if (eintrs & (EHCI_STS_INT | EHCI_STS_ERRINT)) { usb_schedsoftintr(&sc->sc_bus); eintrs &= ~(EHCI_STS_INT | EHCI_STS_ERRINT); } if (eintrs & EHCI_STS_PCD) { ehci_pcd(sc, sc->sc_intrxfer); eintrs &= ~EHCI_STS_PCD; } if (eintrs != 0) { sc->sc_eintrs &= ~eintrs; EOWRITE4(sc, EHCI_USBINTR, sc->sc_eintrs); }
- 41. 具体例: デバドラ スナッチ #1 data UsbdBus = UsbdBus -- xxx data SoftContext = SC { scBus :: UsbdBus , iot :: Int , ioh :: Int , scOffs :: Int , scEintrs :: Int , scAsyncHead :: Ptr Int , scIntrXfer :: Ptr Int } type BusSpace m a = StateT SoftContext m a type Addr = Int ehciUsbsts, ehciUsbIntr :: Addr ehciUsbsts = 0x04 ehciUsbIntr = 0x08 ehciStsIaa, ehciStsPcd, ehciStsErrInt, ehciStsInt :: Int ehciStsIaa = 0x00000020 ehciStsPcd = 0x00000004 ehciStsErrInt = 0x00000002 ehciStsInt = 0x00000001
- 42. 具体例: デバドラ スナッチ #2 evalTmpl :: Int -> (SoftContext -> IO a) -> Int -> BusSpace IO Int evalTmpl flag io ei | ei .&. flag /= 0 = go | otherwise = return ei where go = do sc <- get liftIO . io $ sc return $ ei .&. complement flag evalWakeup, evalSoftIntr, evalPcd :: Int -> BusSpace IO Int evalWakeup = evalTmpl ehciStsIaa $ wakeUp . scAsyncHead evalSoftIntr = evalTmpl (ehciStsErrInt .|. ehciStsInt) (usbSchedSoftIntr . scBus) evalPcd = evalTmpl ehciStsPcd (sc -> ehciPcd sc . scIntrXfer $ sc) evalWrite :: Int -> BusSpace IO () evalWrite ei = when (ei /= 0) go where go = do sc <- get let newEi = scEintrs sc .&. complement ei put $ sc {scEintrs = newEi} busSpaceOwrite4 ehciUsbIntr newEi
- 43. 具体例: デバドラ スナッチ #3 evaluateIntr1 :: BusSpace IO () evaluateIntr1 = do intrs <- fmap ehciStsIntrs $ busSpaceOread4 ehciUsbsts sc <- get let eintrs = intrs .&. scEintrs sc busSpaceOwrite4 ehciUsbsts eintrs evalWrite =<< evalPcd =<< evalSoftIntr =<< evalWakeup eintrs return () where ehciStsIntrs r = r .&. 0x3f ehciIntr1 :: SoftContext -> IO (Either () SoftContext) ehciIntr1 sc = return . Right =<< execStateT evaluateIntr1 sc wakeUp = undefined usbSchedSoftIntr = undefined ehciPcd = undefined busSpaceOread4 = undefined busSpaceOwrite4 = undefined
- 44. この作り方のメリット/デメリット メリット ☆ 動作可能な状態を保ったまま型づけ可能 ☆ つまりドッグフードできる ☆ C言語コードと共存可能 デメリット ☆ 関数型言語を生かした設計にはならない
- 47. これからの調査/実装計画 ☆ bootloaderを使った型づけトレーニング ☆ jhcのソースコード解析 ☆ jhcのGCを組み込み向けに改造 ☆ jhcが吐くコードの再入/並列実行 ☆ kernelの型づけ手法の確立
- 48. Metasepiがもたらす副産物 ☆ Haskellコンパイラ内部詳細理解 ☆ NetBSD kernelの深い理解 ☆ 組み込みHaskell分野開拓