将 Go 程序跑在裸机上之 LibOS

[icexin]

前言

之前我写过一篇探索在裸机上运行 Go 程序的文章，里面介绍了在裸机上运行 Go 代码需要的技术，顺便介绍了 eggos，一个运行于裸机的 unikernel 。

在编写eggos的过程中，我发现刨去内核代码，主程序代码其实就是一个普通的 Go 程序，跟其他 Go 程序一样从 main 函数进去，只不过从来不返回。

那能不能让其他普通程序也运行于裸机呢？因此我把 eggos 的 kernel 抽离出来，作为一个单独的库，其他应用程序只要写下 import _ "github.com/icexin/eggos"，即可像 eggos 一样运行在裸机上。

即使是一个普通的 Go 程序，要在裸机上运行，编译过程还是有很多复杂的参数，因此我把这些编译过程封装了一下，编写了一个叫 egg 的程序，用这个程序来编译，打包，运行你自己编写的 Go 语言编写内核。

使用 Go 语言编写自己的 unikernel

eggos 的主仓库里面带了几个示范的例子，在 examples 目录下，下面一一介绍这些例子。

其中需要注意的是，机器的环境准备如下：

• Go1.16.x
• Qemu 模拟器

egg程序可以从 eggos 的 Release 页面下载，或者运行 go install github.com/icexin/eggos/cmd/egg@latest 得到。

我们的例子都是在 qemu 模拟器里面运行，如果想在真实的机器上运行这些例子，可以参考动画那个例子，使用 iso 镜像在真机上运行。

Hello Eggos

代码在 hello world

第一个例子比较简单，就是简单输出 hello eggos，用来检查你的环境是否准备完毕

$ cd helloworld
$ egg run

Concurrent prime sieve

代码在 prime sieve

第二个例子是 Go 官网经典的并发筛选素数的算法，这个例子展示了 eggos 使用 goroutine 的能力。

$ cd prime-sieve
$ egg run

HTTP 服务器

代码在 http server

第三个例子展示的是 eggos 的网络栈，可以运行 Go 标准库里面的 http 包

$ cd httpd
$ egg run -p 8000:8000

打开浏览器，输入 http://127.0.0.1:8000/hello 即可访问。

因为我们是在 qemu 里面运行，因此做了端口映射，如果是裸机上运行，把 127.0.0.1替换成机器 IP 即可。

交互式程序

代码在 repl

第四个例子展示了 eggos 的使用输入输出编写交互程序的例子，这个例子通过获取用户输入的字符串，计算其 sha1值，并输出到屏幕。

$ cd repl
$ egg run

通过关闭 qemu 的窗口即可关闭程序。

图形与动画

代码在 graphic

第五个例子展示了 eggos 操作图像的能力。Go 的标准库里面的 image 有基础的图形处理能力，eggos 借助 frame buffer，具备基础的处理图像的能力。

这个例子的代码是从 《 Go 程序设计语言》里面借鉴来的，本来的例子是生成一个 利萨茹曲线 (Lissajous curve) 的 GIF 动图，这里进行少稍微的改造，形成屏幕上的动画。

这个例子的命令比其他的多一些，之前的例子不牵扯到在屏幕上画图，我们使用 qemu 的 -kernel 参数加载内核即可，在这种模式下，qemu 是不会帮我们找到 frame buffer的。但在这个例子里面我们需要借助 grub 帮我们找到 frame buffer，因此生成了包含 grub 引导程序的 iso 镜像。

$ cd graphic
$ egg pack -o graphic.iso
$ egg run graphic.iso

Hack 系统调用

代码在 syscall

eggos 本身只包含了一些基础 Linux 系统调用，来让 Go 的 runtime 能正常运行，但是一些第三方库如果使用了 eggos 没有提供的系统调用可能不可以正常运行，因此 eggos 提供了自助注册系统调用的能力。 这个例子展示了如何自助注册系统调用。

$ cd syscall
$ egg run

将内核运行在真机上

在 图形与动画 这个例子里面我们展示了如何将内核打包成一个 iso 文件，这个 iso 文件包含了引导程序，因此可以被真机识别并加载运行。

我们让裸机运行 iso 文件的通常的做法是把 iso 文件烧录到 U 盘或者移动硬盘里面，之后使用 U 盘或者移动硬盘插到电脑上，选择启动项运行。但在这里我推荐使用 ventoy来做启动盘，ventoy 只会格式化 U 盘一次，之后只用拷贝 iso 文件即可，非常方便。这是我在真机上的截图。

结语

借助于 Go 语言的包管理功能，我们成功提供了一个 libos 的 Go 语言实现，让普通 Go 程序也可以跑在裸机上，这是一个非常有趣的尝试，我后面希望硬件驱动之类的也可以模块化，大家在 eggos 这个 unikernel 框架下定制自己的内核像 import 普通 Go package 一样简单！感谢阅读！

原文地址： https://icexin.com/post/write-your-own-unikernel/

[Actrace]

炫确实是挺炫。
不过操作系统最大的意义是提供硬件资源的调度，libos 感觉太偏向底层了，损失了很多便利性。

[yanzhiling2001]

6B

[lesismal]

虽然自己用不上，但是很喜欢这感觉，已 star 。

[wangyu17455]

酷啊

[kwanzaa]

要是能作为 VPS 的镜像，多棒。

[icexin]

@kwanzaa 感谢关注，这个是我后续尝试的方向，但目前看来比较比较困难，云厂商都会限制上传自定义镜像的格式，特别是目录结构以及对 cloud-init 的支持，比如阿里云的这个 https://www.alibabacloud.com/help/zh/doc-detail/48226.htm?spm=a2c63.p38356.879954.4.3fa81c9287RlTk#concept-d53-2jm-xdb 。

[icexin]

@Actrace 感谢关注，目前作为实验性项目，并不具有生产可用性哈。不过业界的确有 unikernel 的研究方向，在嵌入式和云环境还是有一定的使用场景。

[ipwx]

@icexin 个人觉得：

嵌入式：行
云环境：不行

云环境上哪个项目不是要快速迭代的。一快速迭代连 Go 都只是工具，Python / Go / C++ / Java ； MySQL / Postgres / MongoDB / Redis 哪个好用用哪个。

[kwanzaa]

@ipwx 专供 Go 的 Serverless 方向我觉得还不错。

[superhack]

Interesting

[lekai63]

serverless 可以

[ipwx]

@kwanzaa 没啥用。虚拟机的开销比容器大对不？管理起来也比容器麻烦对不？ Kubernetes 容器随便 deploy 它不香嘛。

[ipwx]

serverless 说到底也是在某个云平台的 server 上集中灵活调度。less 是针对应用层开发人员的。灵活调度这方面，用 vm 做简直是舍近求远。

[fox0001]

嵌入式确实可行，但是有什么硬件能跑？

go 能编译 ARM CPU 可执行代码，那么嵌入式硬件是否会限制在 ARM ？

如果跑在树莓派之类的大内存开发板，感觉浪费了硬件。但是如果能跑在树莓派 pico 、ESP8266 、ESP32 、荔枝派 Nano 之类的迷你硬件上，应该会很好玩。

[wupeaking]

期待能支持嵌入式的开发， 毕竟通用的 X86 架构不跑操作系统没事意义呀。