SharpOS — операционная система, целиком написанная на C#

Инвариант №1

Весь исходный код на C#, даже то, что обычно пишут на ассемблере.

MSBuild и PowerShell только оркестрируют сборку. Обработчики прерываний, write barrier'ы, трамплины interface dispatch, чтение CR3: всё решается одним из трёх способов.

Ярусы 0 и 1, то есть ядро и все нативные приложения, не содержат ни строки на C, C++ или ассемблере. Единственное исключение, ярус 2: стоковому PowerShell нужны JIT и рефлексия, поэтому он работает на опциональном форке CoreCLR. Форк написан на C++ и для сборки и загрузки системы не нужен.

Насколько известно, других managed-ОС с таким инвариантом нет: Cosmos на нижнем уровне опускается до X#, собственного диалекта ассемблера, а Singularity держала загрузчик и HAL на C++ и ассемблере. Если задача кажется нерешаемой на C#, значит, она неверно поставлена.

1 · Средства языка

Сам C#

[RuntimeExport], [UnmanagedCallersOnly], delegate* unmanaged, fixed, арифметика указателей.

2 · Машинный код из C#

Ассемблер Iced: при сборке и на лету

Source generator превращает 16 стабов раннего старта в байтовые шаблоны. Когда куча поднята, Iced вызывается напрямую.

var a = new Assembler(64);
a.mov(rax, rcx);
a.Assemble(writer, rip);

3 · Символы из атрибута

COFF-объекты без единой строки на C

Если линкеру нужен символ, который ILC не эмитит, MSBuild-задача сама создаёт .obj.

[BootAsm.CoffDataSymbol(
    "__security_cookie",
    Section = ".data")]
public static ulong SecurityCookie
    = 0x2B992DDFA232UL;

Архитектура

Три яруса исполнения

От голого железа до стоковых .NET-сборок, которые грузятся байт-в-байт. Unikernel: одно адресное пространство, свой планировщик, свой GC.

Ярус 0

Kernel-AOT

Ядро, загрузка, драйверы, планировщик. Прямой доступ к CR3, PCI, MMIO, IDT, local APIC.

Где: OS/
Сборка: NativeAOT + NoStdLib + MinimalRuntime

Ярус 1

PE-приложение

Freestanding-приложения: лаунчер, оболочка, DOOM, эмуляторы NES. У каждого свой сборщик мусора и своя куча.

Где: apps_native/
Сборка: NativeAOT + NoStdLib + общий SDK

Ярус 2

CoreCLR-hosted

Стоковые .NET DLL байт-в-байт: JIT, рефлексия, полный BCL. Так работает PowerShell.

Где: \sharpos\*.dll на FAT
Сборка: опциональный форк CoreCLR (C++), слинкован с ядром

Демо

Это не hello world: PowerShell и DOOM на голом железе.

Самые требовательные тесты всего стека сразу: TPL, исключения, рефлексия, GC, FAT32, ANSI-консоль, framebuffer.

PowerShell 7.6.5 работает в SharpOS: Get-ChildItem, Tab-дополнение, переменные

DOOM

ManagedDoom собран как PE-приложение поверх своей std. WAD читается с FAT32, картинка через GOP с увеличением 2×, PS/2-клавиатура, 35 Гц по HPET.

ManagedDoom · FAT32 · GOP · HPET · PS/2

Трубы

Программы передают объекты, а не байты.

PIPEGEN | PIPEFILT 3 | PIPECNT работает как в bash, но каждая стадия получает настоящий объект с полями. Объект лежит в общей памяти обмена: без парсинга и без копирования в кучу получателя.

›PIPEGEN 1000LogEntry × 1000

?PIPESPY a@ 0x7F3A2000

?PIPESPY b@ 0x7F3A2000

ƒKQL 'where Level >= 3 | summarize n = count() by Level'

Обе стадии PIPESPY показывают один и тот же адрес: один объект проходит через четыре программы без копирования.

Ноль выделений на сообщениеКопия, пересылка, чтение на месте. На графе из 100 объектов в 5–6 раз быстрее, чем BinaryWriter + BinaryReader.
Запросы прямо в конвейереKusto Query Language над потоком сообщений: where, summarize, extend, project. Запрос связывается до прихода первых данных.
Один атрибут, и тип ходит по трубеПометьте тип атрибутом [Message], и его можно читать, фильтровать и писать обратно без копии.
```
Pipe.Read<LogEntry>()
    .Where(e => e.Level >= min)
    .WriteTo();  // без копии
```
JSON, JSON Lines, CBORCONVERT работает потоково, в памяти одно сообщение: файл на 100 МиБ проходит через кучу в 64 МиБ.

Статус

Что уже работает

Каждая отметка «работает» подтверждена прогоном проб в ядре. Полная матрица с комментариями лежит в README.

Возможность	Kernel-AOT	PE-прил.	CoreCLR
Управляемая куча, GC с точным сканированием стека	работает	работает	работает
`try` / `catch` / `finally` / фильтры `when`	работает	работает	работает
`async` / `await`, `yield return`, лямбды	работает	работает	работает
Коллекции BCL, LINQ	работает	работает	работает
`Task.Run`, `lock`, многопоточные процессы	работает	работает	работает
`Math` с правильным округлением (SharpLibm, CORE-MATH)	работает	работает	частично
`dynamic`	пока нет	частично	работает
Рефлексия	пока нет	пока нет	работает
USB (xHCI): клавиатура, флешки, аппаратный ключ U2F	частично	частично	неприменимо
Вытесняющая многозадачность	частично	частично	частично
SMP	запланировано	запланировано	запланировано
Сеть	пока нет	пока нет	пока нет

работает частично запланировано пока нет неприменимо

Быстрый старт

Соберите сами

Собирается обычным dotnet publish -r win-x64. Зависимости ставит mise или nix, образ запускается в QEMU.

Поставьте mise или nix. Все версии инструментов закреплены в mise.toml и flake.lock.
Клонируйте с подмодулями. Форк CoreCLR необязателен, без него нужен флаг -SkipCoreClr.
Соберите и запустите. run_build.ps1 собирает ядро, делает образ и запускает QEMU.
Положите payloads. DOOM1.WAD, картриджи .nes и PowerShell кладутся в payloads/.

# macOS / Linux / Windows
# или на Windows: winget install jdx.mise
brew install mise

git clone --recurse-submodules \
  https://github.com/daniilvaino/SharpOS.git
cd SharpOS
mise trust && mise bootstrap
mise exec -- pwsh

# дальше в PowerShell
./build.ps1 launcher
$env:SHARPOS_GUI = 1
./run_build.ps1 -UsbOnly -SkipCoreClr

# NixOS или любой Linux с включёнными флейками
git clone --recurse-submodules \
  https://github.com/daniilvaino/SharpOS.git
cd SharpOS
nix develop --command pwsh

# дальше в PowerShell
./build.ps1 launcher
$env:SHARPOS_GUI = 1
./run_build.ps1 -UsbOnly -SkipCoreClr

Благодарности

Библиотеки и вдохновение

Чужой код, который попадает в образ, и проекты, на которых SharpOS учился.

zerosharpстарт
UEFI hello world на NativeAOT, отсюда всё началось.
dotnet/runtimeMIT
Toolchain NativeAOT, форк CoreCLR, сотни портов BCL.
IcedMIT
Кодировщик x86-64: весь ассемблер проекта.
ManagedDoomGPL-2.0
DOOM на C#, изолирован в отдельном приложении.
Terminal.GuiMIT
Текстовый интерфейс, на нём написан лаунчер.
XtermSharpMIT
Движок эмулятора терминала: ANSI/VT, прокрутка.
Kusto.LanguageApache-2.0
Разбор и связывание KQL для запросов в трубах.
Cosmosидея
Сама идея managed-операционной системы. Её нижний уровень написан на X#, диалекте ассемблера, поэтому инвариант «всё на C#» она не держит.

C# от первой инструкции до DOOM.

SharpOS в общественном достоянии по лицензии CC0. Используйте, изменяйте, присылайте pull request'ы.

Открыть репозиторий Известные ограничения

Операционная система, целиком написанная на C#.