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发帖数: 5763 | 1 在美国宾夕法尼亚州的东部，有一个风景秀美的城市叫费城。在这个城市诞生了一系列
改变世界的奇迹：第一个三权分立的国家——美立坚合众国，就在第五街的路口诞生；
举世闻名的费城交响乐团，1900年在市中心的Academy of Music奏响了他们的第一个音
符。而写这篇文章时，我正坐在三十四街的宾夕法尼亚大学计算机系的一楼实验室，面
前摆放着世界上第一台电子计算机——ENIAC。
1946年2月14日，ENIAC问世，每秒可运行5000次加法运算或500次乘法运算，面积达170
平方米，重约30吨，拉开了计算机处理器革命的序幕。这场革命是各处理器厂商长达数
十年的竞赛，而摩尔定律从一开始就准确地预测了这场比赛的走势。根据摩尔定律，同
样价格的集成电路上可容纳的晶体管数目，每隔约18个月便会增加一倍，性能也将提升
一倍。但事实上，并无法用老路子来保持这个增长速度，因为会遇到包括能耗、散热等
各种技术瓶颈。所以每隔几年就会有用来绕过这些瓶颈的新一代产品推出。如采用超纯
量（superscala）、指令管线化、快取等。这些技术通过一定程度的高效并行来挖掘计
算机处理器的速度所能达到的高度，以促使用户更新换代。
世界上第一台计算机ENIAC，1946年2月14日诞生于宾夕法尼亚大学
和66年前的ENIAC相比，今天的处理器已有了质的飞越。而21世纪的前十年，我们更是
见证了个人计算机处理器的三次重大革命——64位处理器、多核心和高效图形处理器在
个人电脑出现。在这样的背景下，乔布斯在2008年WWDC（苹果全球开发者大会）上，宣
布下一代Mac操作系统Mac OS X 10.6将被命名为Snow Leopard（雪豹）来适应硬件架构
的革新。就在那天下午，Bertrand Serlet在一场开发者内部讲座上透露，和先前两个
发行版包含大量的新功能（10.4 Tiger包含150个新功能，10.5 Leopard包含300个新功
能）不同，Snow Leopard不含任何新功能，仅是对Leopard中诸多技术的重大更新，以
使其在现代架构上更稳定、高效。 在这十年的最后一年，2009年8月28日，苹果发布了
Mac OS X 10.6来有效地支持这三项技术，而本文将为读者介绍其对应的三项软件技术
——64位架构、Grand Central Dispatch，以及OpenCL。 其他Mac OS X 10.6技术更新
，如全新的QuickTime X和跳票的ZFS，有着更复杂的历史背景（以后再为读者介绍）。
64位架构出现的缘由
前文提到，根据摩尔定律，同样价格的集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月
便会增加一倍，性能也将提升一倍。事实上，存储器的容量增长可能更快，每过15个月
就会翻一番。有了更快更强的电脑，可能会让数值计算的科学家们喜出望外，但对普通
大众来说，摩尔定律给普通消费者一个假象——如果你觉得1000美元的苹果电脑太贵，
那等上18个月就可以用500美元买到同样的电脑。十年前你在用电脑写Word文档，十年
后你还在用电脑写Word文档，反正计算机不是耗材，一台电脑只要不坏，就不用去买新
的。计算机产业的巨头们自然知道摩尔定律对他们造成的致命打击，因此，一个阴谋被
以Intel和Microsoft为首的巨头们构想出来—Intel负责把硬件越做越快，而Microsoft
则负责把自己的软件越做越臃肿、越做越慢—至于你信不信，反正我是信的。因此，使
用软件、服务等，直接促进计算机产业的消费，使得计算机产业走上可持续发展的道路
。这在计算机产业被称为Andy-Bill定律，分别以Intel和Microsoft总裁的名字命名。
当然，软件公司未必真心欺骗消费者，故意把软件做大做慢——为了实现一个新功能，
软件势必会比原先庞大。但现代软件的速度、大小和其增加的功能并不成比例。比如对
最终用户来讲，Windows Vista到底比Windows XP多了多少功能呢？可能只有20%~30%。
Word 2007对比Word 2003多了多少功能呢？可能也只有20%~30%。但Windows Vista、
Word 2007占用的CPU、内存、磁盘空间，却比Windows XP和Word 2003翻了几番。究其
原因，为了能赶快把新功能带给用户，我们不惜使用更方便但低效的编程语言（.NET、
Java等依赖虚拟机的语言就要比C慢许多，Python等动态语言比C慢的不是一星半点）、
快速开发（我们原先处理一个大文本，先分块，一点一点读到内存中，然后把处理完的
部分写回磁盘，清空内存；而现在直接把它全读进来处理，开发方便，执行也快）。而
用户必须为这些新功能买不成比例的单。64位就是在这个背景下迅速走入寻常百姓家的
——程序占用越来越多的内存，而32位的寻址空间已不能满足软件运行的需要了。
64位 CPU是指CPU内部的通用寄存器的宽度为64bit，支持整数的64bit宽度的算术与逻
辑运算。早在1960年代，64位架构便已存在于当时的超级电脑，且早在1990年代，就有
以RISC为基础的工作站和伺服器。2003年才以x86-64和64位元PowerPC处理器架构（在
此之前是32位元）的形式引入到个人电脑领域。从32位元到64位元架构的改变是一个根
本的改变，因为大多数作业系统必须进行全面性修改以取得新架构的优点。
成功的迁移
苹果向64位处理器的迁移花了整整6年时间，远长于该公司其他技术的迁移——向Intel
的迁移仅用了一年时间，从经典Mac OS到Mac OS X也仅用了三年时间。总而言之，这场
迁移是非常成功的：一方面，用户基本无痛苦，老的32位程序在目前最新版的Mac OS X
Lion中依然可以完全兼容地执行；另一方面，对开发者而言，基本只需做微小的调整
，重新编译程序，而且若干技术如Universal Binary，使他们发布程序非常方便。当然
，对于某些大量使用过时技术的公司，如Adobe和Microsoft，这场迁移则要折腾得多。
这场迁移整整用了四个发行版的时间（10.3至10.6），不同于Windows或Linux，Mac OS
X对64位的迁移自下而上，再自上而下。先是内核扩展，逐渐上升至Unix空间，然后上
升至用户界面，再上升至整个应用程序生态，最后完成内核的迁移。要提醒读者的是，
Mac OS X的32位和64位内核空间与用户空间的分配和实现，和Windows存在本质的区别
，但在本期介绍中，我们尽可能少地把Mac OS X 的64位迁移和Windows进行比较，不拘
泥于技术细节，对此区别有兴趣的读者，请移步AppleInsider的系列专题。
2003年，苹果发布了其第一款64位计算机工作站Power Mac G5。同期发布的Mac OS X
10.3也因此增加了非常简单的64位支援，于是XNU内核开始支持64位的寄存器和整数计
算。但对于用户空间而言，程序可见的地址依然是32位的。程序当然可以使用大于4GB
的内存（Power Mac G5最高可达8GB寻址空间），但这要求程序手动地在两个32位内存
空间中来回转换。
两年后，苹果发布了当时最成功的Mac OS X发行版Mac OS X 10.4 Tiger。10.4的内核
是革命性的，除了增加对内核并行多线程的支持，它把用户空间可见的地址空间扩展到
了64位，因此理论上用户程序可以以64位方式执行。当然，在这个时期，几乎系统内的
所有程序，哪怕是内核，依然是32位的。系统中唯一带的64位二进制文件是名为
libSystem.dylib的系统库。它是Mac OS X上对C标准和POSIX标准的支持库，由libc、
libinfo、libkvm、libm和libpthread五部分组成。但这仅有的libSystem.dylib理论上
就能让所有仅使用C标准库和POSIX标准库的程序以64位模式运行。当时，用户对64位的
需求较少，主要限于科学计算或图形处理等需要大数组的领域。因此，10.4能较好地满
足这部分用户的需求。但如果程序需要调用除BSD Unix以外的系统调用，比如想用
Cocoa来画图形界面，那么该程序仅能以32位方式运行了。对于一些需要64位寻址空间
的科学计算程序，比如Mathematica，就需要采用一些比较麻烦的做法：用一个进程调
用32位的Cocoa画图形界面，用另一个进程调用64位的libSystem来进行运算和Unix系统
调用，并用Unix管道或进程间通信的方式管理两个进程间的输入/输出。
苹果在Mac OS X 10.4发布同期的另一项重要决策是向Intel平台x86及x86_64架构的迁
移。为了帮助开发者和用户顺利迁移，苹果正式公布了Universal Binary。Universal
Binary 技术是Mach-O二进制文件早就具有的特性，只是在这个场合作为一个商业词汇
进行宣传。NeXT时代NeXTSTEP操作系统就支持许多种不同的硬件架构，自然可以要求开
发者对每个平台发布一个独立的版本，但这样的分发模式很麻烦，消费者也需要搞清到
底购买哪种平台的软件。因此NeXT的Mach内核所支持的Mach-O二进制文件格式引入了一
种叫fat binary的特性，说白了就是在一个平台架构上分别交叉编译所有平台的二进制
格式文件，然后把每个文件都打包成一个文件。Universal Binary就是指同时打包
Intel平台和PowerPC平台的二进制文件。Mac OS X 10.4最终支持四个平台的BSD系统调
用——32位Power PC、64位PowerPC、32位 x86和64位x86_64。作为最终用户，无须搞
清这些区别，因为使用Universal Binary技术，买回来的软件直接会解出相应平台程序
的二进制文件并执行。这是苹果很成功的一步——不像Windows系统中要用不同的路径
（\Windows\System、\Windows\System32、\Windows\System64）分别存放不同架构的
二进制库，并且用户还需在32位版和64位版之间犹豫不决。
Mac OS X 10.5 Leopard经过一系列跳票终于在2007年末发布，跳票主要原因是当时苹
果投入了大量人力和物力去做iPhone，以至于10.5跳票了整整一年。10.5包含了约300
项新功能，而最重要的一项是苹果把对64位的支持带入了Cocoa层面。因此，几乎系统
中所有的库都有四个平台的版本。在WWDC上乔布斯亲自向与会者介绍迁移到64位的好处
，而能使用更大的内存自然是一项重要优势，程序可以申请更大的内存，把所有数据一
并读入内存中操作，而无须分块后来来回回地在内存和磁盘搬运数据。另外，对Intel
平台来说，x86架构只有8个寄存器，而x86_64平台有16个寄存器，这也就意味着，对该
平台来说，只要重新编译程序，程序就能自由调度比原先翻倍的寄存器数量而无须快取
或在内存中来回查找和读写。根据粗略估算，一般涉及大量数值计算的程序会加快一倍
。所以他很开心地劝说所有的开发者都迁移到64位架构。
历时整整6年时间，苹果完成了向64位处理器的迁移，同时这也给苹果提供了良好的清
理门户的机会——清理过时的技术和API。
彻底的清理
同时，苹果做出了一个大胆的举动——Carbon框架并未出现在这次迁移中。Carbon是
Mac OS X诞生之初为了帮助Mac OS开发者把老程序迁移到新的Mac OS X操作系统上所提
出的一个兼容API，这套API长得很像经典Mac OS的API，但能够得到Mac OS X平台提供
的一切新特性，Adobe、Microsoft等都是通过Carbon把它们经典的Mac OS程序移植到
Mac OS X上的。苹果的本意是希望开发者用Carbon迁移老程序，用Cocoa开发新程序，
但在Carbon诞生之初，其受关注度远大于Cocoa，据TeXShop开发者Dick Koch回忆，在
Mac OS X 刚诞生的开发者大会上，Carbon讲座的教室挤满了人，而Cocoa相关的讲座上
听者无几。维护两套雷同的API的代价自然很高，所以砍掉一个是大势所趋。Carbon和
Java的热度甚至一度让苹果产生索性把Cocoa或Objective-C砍掉的想法。大量苹果自家
的程序如Finder、iTunes、Final Cut、QuickTime等也都是用Carbon写成的。不过在此
后由于大量涌现在Mac OS X平台上的新程序都是Cocoa写的，导致Cocoa技术不断走高。
2007年的iPhone也完全依赖于Objective-C和Cocoa的一个裁剪版Cocoa Touch。因此在
WWDC2006上，苹果在Mas OS X Leopard 10.5的开发预览版中包含了测试版本的64位
Carbon库，甚至还有讲座教如何开发64位的Carbon程序。但苹果却在2007年告诉Carbon
开发者，他们的程序将不可能再被编译成64位，要做到这点，必需先把程序用Cocoa重
写。
这个突然的决定激怒了很多开发者，尤其是以Microsoft和Adobe这些巨头为代表的公司
。Adobe全套的Creative Suite和Microsoft全套的Microsoft Office是很多苹果用户必
备的软件，数百万行代码全是用Carbon写的。所以直到今天，除了Adobe Photoshop等
少数程序终于在2010年全面移植到Cocoa后做出了64位版，其他大部分程序依然停留在
Carbon的32位模式。
苹果也花了很长时间来重写Finder、FinalCut、iTunes、QuickTime等程序或技术，耗
费了大量精力。当Adobe发布64位的Lightroom 2.0时，苹果还在手忙脚乱地重写
Aperture。不过公正地讲，长痛不如短痛，砍掉对Carbon的支持能够使苹果把更多精力
放在该做的事上，也使得Mac OS X的结构更简洁，并且事实上，64位的迁移为苹果提供
一个砍去老API的机遇，哪怕对Cocoa也是。一方面，Cocoa框架中很多类不是使用类似
Carbon的API，就是依赖于用Carbon实现（注意，和传统观念不同，Carbon和Cocoa在早
期Mac OS X上是相互依赖的，比如菜单NSMenu就使用了Carbon的菜单管理器），这些
API在64位得到了彻底清理，QuickTime相关的C接口全被砍去。Cocoa经过很长时间的发
展，自然也保留了很多过时的API以保证和原先的产品兼容，而这次机会给苹果足够的
理由彻底推翻原先的设计。在Mac OS X 10.5中， Objective-C的运行库libobjc更新到
2.0，提供了全新的并发、异常处理、自动内存回收、属性（property）等新机制，其
中很多新特性只供64位享用。同时，所有int都被改为NSInteger，Core Graphics中的
float都改为CGFloat，以保持API统一，这些都是64位架构上的改动。因此64位迁移给
苹果一个很好的清理门户的机会。
作为相反的例子，这次清理也有不彻底的地方。比如从老版Mac OS中混进来的Keychain
库，甚至具有Pascal风格的API，由于没有替代品，它也得到了64位的更新。所以类似
keychain这样的库成了现在Mac OS X程序员的噩梦。我每次用到Keychain都有痛不欲生
的感觉。
而2009年发布的Mac OS X 10.6 Snow Leopard则是对64位真正完整的支持。Unix层虽然
10.4就提供了64位的libSystem，但所有的Unix用户空间工具包括ls、Python等，以及
Xcode中的gcc，也都是以32位二进制的模式发布的。图形界面层，在10.5 Leopard中，
虽然整个系统的库都迁移到64位，以32位和64位的混合模式发布，但用户应用程序依然
是32位的。只有Chess、Java、Xcode套件等少数程序以64位编译。但在10.6中，基本所
有的应用程序都被迁移到64位，不管是Safari、Mail、Dock，还是TextEdit。当然，各
种Unix工具包括LLVM、GCC等也都以64位的模式发布。10.6只有四个Carbon程序（Front
Row、iTunes、DVD Player以及Grapher）未得到64位升级【2009年查阅，现页面已更
新至10.7】。其中， Front Row在Mac OS X 10.7 Lion中被砍掉， iTunes在10.7发布
时依然以32位模式发布，在2011年末的更新中才迁至64位。
为了使应用支持64位，苹果不遗余力地改写了大量代码，Snow Leopard中最重要的重写
当属Finder，这个程序自Mac OS X发布以来就一直是一个Carbon程序，并且苹果一直不
停地改进它以展示Carbon无所不能。但自从10.5时代苹果下决心砍掉Carbon后，该程序
被完整地重写。新的Finder和Carbon版的Finder看上去并没有太大差别，但Finder使用
Cocoa重写后，不仅速度更快，而且增加了许多Cocoa新特性，比如加入了更多的Core
Animation特效来平滑过渡动画。总之，虽然苹果在10.6期间没有提供太多新功能，但
这样大规模的重写，为今后代码的可维护性奠定了良好的基础。
Mac OS X 10.6发行版也完成了64位化的最后一步——内核的64位化。我们将在下期杂
志中和读者仔细讨论。
作者王越，美国宾夕法尼亚大学计算机系研究生，中国著名TeX开发者，非著名
OpenFOAM开发者。 |
j**********i
发帖数: 3758 | 2 以前人间跟我讲CPU里的结构一直没变化，我就是无法验证，因为运行速度除了CPU，还
有软件和其他因素，所以想叫搞物理的弄个X光图片来看看（一些搞化学的弄得什么CPU
炼金术就过于神颠了，这些人连价值所在都不明白）。今天又听到了学CS的人在谈微软
的“伎俩”。到底微软有没有搞鬼呢？普通用户很难明白，但是有一点是清楚的：
linux和BSD底下的代码都是可以重新编译的，如果他们硬是要为把机器慢下来而庞大代
码，那么，旧的版本的重新编译的代码可以跑得更快些，尽管这样一来他们又会怀疑
intel的汇编代码了。而许多新兴的不受美国控制的操作系统也会迅速崛起。但是，事
实上并非这样。我知道部分答案，但是细节就不能随便讲，因为
诈言和不懂的人是不会承担责任的。 我听了半天，听到的都是些IPC，内存管理和执行
效率的
陈词滥调。这些话本非应该由非CS的人来讲个CS的人听。
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【在 a****a 的大作中提到】
: 在美国宾夕法尼亚州的东部，有一个风景秀美的城市叫费城。在这个城市诞生了一系列
: 改变世界的奇迹：第一个三权分立的国家——美立坚合众国，就在第五街的路口诞生；
: 举世闻名的费城交响乐团，1900年在市中心的Academy of Music奏响了他们的第一个音
: 符。而写这篇文章时，我正坐在三十四街的宾夕法尼亚大学计算机系的一楼实验室，面
: 前摆放着世界上第一台电子计算机——ENIAC。
: 1946年2月14日，ENIAC问世，每秒可运行5000次加法运算或500次乘法运算，面积达170
: 平方米，重约30吨，拉开了计算机处理器革命的序幕。这场革命是各处理器厂商长达数
: 十年的竞赛，而摩尔定律从一开始就准确地预测了这场比赛的走势。根据摩尔定律，同
: 样价格的集成电路上可容纳的晶体管数目，每隔约18个月便会增加一倍，性能也将提升
: 一倍。但事实上，并无法用老路子来保持这个增长速度，因为会遇到包括能耗、散热等
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j**********i
发帖数: 3758 | 3 过分强调苹果和微软在技术上的差异是肤浅的，因为在人员上，美国公司之间经常流动
和协助，在编程上，实现想法的手段并不非常受语言和平台限制。
内存泄露？微软的工程师就等在那里旁观？系统崩溃？许多人没见过老的UNIX崩起来是
什么样子。如果，不能破解谎言，至少能做的是指出可行的验证方法。人云亦云的人还
是多多使用红旗LINUX吧。 |
j**********i
发帖数: 3758 | 4 搞化学的人最好还是讲一讲CPU制造工艺的精确度控制的问题。至少在现在，这还是个
相当实用的技术。 |
l********g
发帖数: 5070 | 5 搞化学的漂过，这个确定不是搞化学的人干的，只是需要一点化学知识而已
【在 j**********i 的大作中提到】
: 搞化学的人最好还是讲一讲CPU制造工艺的精确度控制的问题。至少在现在，这还是个
: 相当实用的技术。
|
a*******i
发帖数: 11664 | 6 这个是搞ee的人做的
【在 j**********i 的大作中提到】
: 搞化学的人最好还是讲一讲CPU制造工艺的精确度控制的问题。至少在现在，这还是个
: 相当实用的技术。
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a***e
发帖数: 27968 | 7 光刻胶开发还真是化学家的事
【在 l********g 的大作中提到】
: 搞化学的漂过，这个确定不是搞化学的人干的，只是需要一点化学知识而已
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