FreeBSD 与 2025 谷歌编程之夏
FreeBSD 与 2025 谷歌编程之夏
作者：Joe Mingrone
2025 谷歌编程之夏，Google Summer of Code (GSoC) 的圆满完成标志着 FreeBSD 第 21 年参与该项目。今年有三大亮点。首先，我们收到了 64 份申请，是去年的两倍多，约 2023 年的四倍。人工智能工具可能推动了申请数量的激增，虽然产生了一些低质量提交，但大部分申请整体质量仍然很高。其次，我们注意到来自南亚的兴趣显著增加。鉴于 FreeBSD 社区调查显示 85% 的受访者来自欧洲或北美，来自亚洲及其他地区的关注尤为可喜。第三，被接受项目的数量和质量令人鼓舞。在 185 个参与组织中，共有 1200 个编程之夏项目，而 FreeBSD 的 12 个被接受项目几乎是每个组织平均值的两倍，而且与去年不同，今年 12 个项目均顺利完成。
在讨论各个项目之前，先回顾一下我们参与谷歌编程之夏的原因。该项目需要大量投入，从组织申请流程、定义项目创意，到指导贡献者。投入这些时间和资源是否值得——这些本可直接用于开发——短期技术角度来看尚可争议；虽然部分项目带来了可提交的代码，但很多并未如此。然而，从长期来看，答案更明确。谷歌编程之夏在吸引和培养新贡献者方面发挥着重要作用。自 2022 年以来，已有五名 FreeBSD 新提交者通过谷歌编程之夏加入，而一名 2017 年参与者在后来成为了第 12 届核心团队成员。
2025 谷歌编程之夏项目
改进 Sockstat UI
对于那些不熟悉 sockstat(1) 的人来说，它是用于列出打开的互联网或 Unix 域套接字的命令。Damin Rido 的项目目标是通过支持动态列宽和集成 libxo 提供结构化输出，从而增强命令输出的灵活性。以下三条 Damin 的 pull request 均已合并到 src 中：
添加自动列宽功能并移除
-w选项：freebsd/freebsd-src#1720重新引入
-w标志以自动调整列宽：freebsd/freebsd-src#1746添加 libxo 支持：freebsd/freebsd-src#1770
vmm(4) 对 QEMU 的加速支持
VMM（Virtual Machine Monitor）模块是 bhyve(4) 虚拟机监控器的内核组件，可通过 vmm(4) 访问。除了 bhyve，另一款在 FreeBSD 上被官方支持的广泛使用的机器模拟器和虚拟化器是 QEMU。然而，在本项目之前，FreeBSD 上的 QEMU 只能使用软件模拟（通过 Tiny Code Generator），因为缺乏硬件加速虚拟化支持。换句话说，QEMU 在 FreeBSD 上无法利用宿主 CPU 的虚拟化扩展直接运行虚拟机代码。这导致相比硬件辅助虚拟化，CPU 开销显著增加，来宾性能下降。
Abhinav Chavali 的 2025 谷歌编程之夏项目主要目标是将 VMM 加速支持集成到 FreeBSD 上的 QEMU。他通过修改 QEMU 的内存管理层，使其与 VMM 内核分配的来宾内存协作，实现了这一目标。同时，他对 VMM 进行了调整，使某些非关键设备（如 HPET 和 RTC）成为可选项，从而允许 QEMU 在用户空间模拟它们。这实现了一种混合中断模型（内核处理虚拟 LAPIC，用户空间模拟 IOAPIC），有潜力在 FreeBSD 下达到与 bhyve 相当的性能水平。
最新进展是，Abhinav 成功在 QEMU 上使用 VMM 加速启动了 FreeBSD 14。相关代码可查看 这里。
Rust FreeBSD 设备驱动的测试与开发
近年来，在 FreeBSD 和 Linux 社区中引入 Rust 的讨论不断增加。相关讨论示例可参考 Linux 内核邮件列表上发布的 Rust 支持 RFC 以及 FreeBSD hackers 邮件列表的讨论。在两者社区中，讨论焦点各有不同：一些反对者担心会“使构建时间翻倍”，而支持者则认为 Rust 可以使某些工具的实现变得更容易甚至成为可能。除了讨论之外，已经取得了实际进展：Johannes Lundberg 在其 硕士论文项目 中创建了 Rust KPI 和网络驱动，而 David Young 则开发了一个简单的 FreeBSD 内核 Rust 模块，并在 文章中总结了社区采用 Rust 的现状。
本项目“Rust FreeBSD 设备驱动的测试与开发”基于此前在 FreeBSD 中引入 Rust 的努力。其主要目标之一是为 Rust 内核模块创建测试与持续集成框架。Aaron 在此 视频 中概述了他的 Rust echo 驱动，并在此 总结文档 中说明了项目内容。相关代码库如下：
FreeBSD 磁盘管理工具
在 Braulio Rivas 的 2025 谷歌编程之夏项目之前，FreeBSD 缺少类似 Linux 上 GParted 的用户友好型磁盘管理工具，用于分区、调整大小、移动和管理文件系统。本项目旨在填补这一空白，开发了一个新的分区管理工具 geomman。项目完成后，geomman 支持以下操作：
在同一块磁盘或不同磁盘之间复制和粘贴分区
扩展 UFS、NTFS、ext2、ext3 和 ext4 文件系统
缩小 NTFS、ext2、ext3 和 ext4 文件系统
可视化选择空闲空间以放置分区
创建 exFAT、NTFS、ext2、ext3 和 ext4 文件系统
检查文件系统：fsck_ufs (UFS)、fsck_msdos (FAT)、fsck.exfat (exFAT)、ntfsfix (NTFS) 以及 e2fsck (ext)
创建并标记分区
创建并加密分区
剩余工作：
添加 ZFS 支持
解决移动分区时的问题
编写测试用例
上游代码库：https://gitlab.com/brauliorivas/geomman
为 mkimg 添加 QCOW2 压缩镜像支持
QCOW2（QEMU Copy-On-Write version 2）是一种广泛使用的虚拟化磁盘镜像格式，支持精简配置（thin provisioning）和内建压缩等功能。FreeBSD 的 mkimg(1) 工具能够创建多种格式的磁盘镜像，包括 QCOW2。但此前，mkimg 对 QCOW2 的支持有限，无法直接创建压缩的 QCOW2 镜像。
在本次 GSoC 项目中，Christos Komis 对 mkimg 进行了改进，实现了以下目标：
支持 QCOW2 v2 压缩镜像
支持 QCOW2 v3 压缩与非压缩镜像
更新用户界面以提供新功能
扩展测试套件以验证功能正确性
更新 man 页以反映新增功能
进行代码重构以提升可读性与可维护性
实现已通过全面测试，并可直接提交至主代码库。用户现在可以直接使用 mkimg 生成压缩 QCOW2 镜像，简化虚拟机镜像生成流程，减少对外部转换工具的依赖。Christos 的代码可在此查看：https://github.com/ckkomis/freebsd-src/commits/mkimg/qcow2-compression/
在 Loader 中初始化 ACPI 并添加 Lua 绑定
Kayla Powell 的项目将 ACPICA 库的初始化扩展到 FreeBSD 的 loader 中，确保在内核加载前完整的 ACPI 命名空间可用。该工作替换了原本较为零散的 bootloader ACPI 处理方式，通过在 loader 内调用标准 ACPICA 函数（如 AcpiInitializeSubsystem、AcpiLoadTables、AcpiWalkNamespace、AcpiEvaluateObject）实现。这使得在启动早期就能一致地发现和查询 ACPI 对象。为了保持 loader 的轻量化，仅移植了初始化或脚本所必需的 ACPICA 组件，省略了许多非必要功能。
在此基础层之上，项目引入了 Lua 绑定，使脚本在 loader 中可以访问 ACPI 命名空间和对象评估功能。换言之，现在可以在内核加载前编写 Lua loader 脚本来遍历 ACPI 树、检查设备表条目、读取或附加 ACPI 节点数据。项目同时包含了单元测试和回归测试，例如对比 C 与 Lua 的命名空间输出，以及在不同架构下构建 loader。
Kayla 的项目总结可见她的博客：https://kmpow.com/content/gsoc-writeup 相关 pull requests：1818、1819 和 1843
改进 mac_do(4) 与 mdo(1)
Kushagra Srivastava 的项目旨在通过改进内核端 MAC 模块 mac_do(4) 及其配套的用户空间工具 mdo(1)，增强 FreeBSD 的凭证转换基础设施。该项目目标是避免依赖传统的 setuid 可执行文件（存在固有风险），在 FreeBSD 的 MAC 框架下实现可控的、精细化的凭证转换。
在内核方面，mac_do(4) 被扩展以支持针对每个 jail 的授权可执行文件配置，使管理员能够明确指定某个 jail 内哪些二进制文件允许请求凭证转换，而不局限于硬编码路径。此外，它现在会拦截标准的凭证更改系统调用（如 setuid(2)、setgid(2)、setgroups(2)），并将其视为完整的转换请求，受 mac_do(4) 策略模块管理。
在用户空间方面，mdo(1) 工具改进了凭证转换请求的精细控制。它现在支持通过 -g、-G、-s 等标志明确覆盖用户/组 ID 及补充组，并新增了 –print-rule 选项，用于显示匹配请求转换的 mac_do(4) 规则，从而帮助管理员创建规则并进行调试。
这些增强功能使凭证转换更加灵活、安全，并与 FreeBSD 的 jail 和 MAC 框架紧密集成，减少了对高风险 setuid 二进制文件的依赖，同时提升了审计能力和控制力。
Kushagra 的项目详细介绍可参见：https://thesynthax.hashnode.dev/my-google-summer-of-code-journey-part-3
缩短 FreeBSD 启动过程
Lahiru Gunathilake 的项目延续了以往提升 FreeBSD 启动速度的工作，通过分析启动序列、识别瓶颈并实施优化来缩短启动时间。利用内置的 TSLOG 跟踪框架，Lahiru 生成了启动路径的火焰图，以了解时间消耗集中在哪些环节，以及可以消除哪些不必要的延迟。
在分析发现的热点环节包括设备附加阶段、大型文件系统子系统（尤其是 ZFS）的初始化，以及 vfs_mountroot（根文件系统挂载）中的 sleep 延时后，优化工作进入实施阶段，包括：
将基准测试缓冲区从 16MB 减小到 256KB，使启动时间从 989 ms 缩短到 67 ms
缩短键盘和鼠标初始化中的长等待循环，并引入可调参数
hw.atkbd.short_delay消除对 USB 设备的不必要等待
整体来看，Lahiru 报告称在内核初始化阶段减少了 8.2 秒，ZFS 和输入设备优化后减少了 3.5 秒，跳过 USB 启动等待后减少了 1.9 秒。
WiFi 管理界面
Muhammad Saheed 承担了开发 FreeBSD 上 WiFi 网络管理工具的项目，包括 CLI 工具 wutil 和 TUI 工具 wutui。目标是覆盖“工作站模式操作，例如扫描、连接/断开无线网络”，并将这些功能封装到更清晰、一致的用户界面中。其他完成的工作包括：
更新相关 man 手册
更多内容可参考 Muhammad 的 博客。
FreeBSD ExtFS 日志功能
Pau Sum 的项目旨在为 FreeBSD 的 ext2fs 文件系统实现 Linux 兼容的日志功能。FreeBSD 原有的 ext2fs 驱动已能挂载和使用 ext2/3/4 文件系统，但缺乏日志功能，因此非正常关机后需要通过 fsck 进行较长时间的恢复。Pau 的工作引入了磁盘日志感知和事务记录，提高了崩溃恢复能力和文件系统完整性，使 FreeBSD 能够在 ext3/4 卷上挂载和重放日志，并与 Linux 系统更好地互操作。
设计上没有完全复制 Linux 的日志框架，而是实现了传统的元数据日志（metadata-only journal），使用相同的磁盘结构以保持兼容性。新代码定义了关键数据结构：
ext2fs_journal：表示活动日志
ext2fs_journal_transaction：分组原子元数据更新
ext2fs_journal_buf：跟踪每个块的状态
核心文件系统操作（如 ext2_link、ext2_mkdir、ext2_write）扩展了日志钩子，用于开始事务、标记脏数据和结束事务。提交事务时会写入描述符块、元数据块、撤销块和提交块，并进行检查点操作以刷新磁盘更新。恢复分三步进行：验证事务范围、收集撤销块、重放未撤销的元数据。
项目结束时，12 个日志钩子中已有 11 个完成，正在进行截断和基于 extents 的操作开发。计划的扩展包括对 extents 和截断的日志支持、日志完整性校验、更全面的崩溃模拟和文档清理。已通过 fsx 和 dirconc 测试该实现。可在 他 Fork 的 FreeBSD src 仓库 获取 Pau 的代码。
电源分析工具
Kasyap Jannabhatla 的项目旨在为 FreeBSD 提供细粒度的、基于进程的电源使用分析，以弥补 ACPI 全系统功耗统计的局限。受 Performance Co-Pilot (PCP) 和 RAPL（Running Average Power Limit）启发，该项目实现了 FreeBSD 原生框架，而非移植 Linux 的 PowerTop。解决方案包括：
内核组件：收集与功耗相关的指标
用户态守护进程：提供命令行界面，跟踪每个进程的 CPU 使用和能耗
通过结合 RAPL 读数和由 kvm_getprocs 得到的每进程 CPU 利用率，该工具能够估算单个进程和线程的能耗，为精细化电源分析和 FreeBSD 电源管理的后续增强提供基础。
开发过程中，重点包括：
构建轻量级的守护进程架构
实现用于结构化访问 RAPL 数据的库 librapl
与进程计数整合，计算每线程的能耗
测试阶段使用了 OpenSSL Speed 等压力基准，并在多核运行环境下使用线程 ID 精确处理能耗计算。项目结束时，框架可可靠报告每进程随时间变化的能耗，所有交付物（守护进程、库和文档）均已完成。
实现代码可在 GitHub 仓库 获取。
将 FreeBSD 移植到 QEMU microvm
QEMU microvm 是受 Firecracker 启发的极简虚拟机。虽然 FreeBSD 已被移植到 Firecracker，但该平台仅支持 Linux，限制了可移植性。本项目由 Wyatt Geckle 负责，目标是开发 FreeBSD 内核的 QEMU microvm 版本，借鉴 Firecracker 移植经验。为此，Wyatt 复现了之前的移植尝试，并分析了内核初始化问题，尤其是导致长启动时间的定时器配置问题。通过研究 NetBSD 的 microvm 实现和 Intel 文档，项目发现了 FreeBSD 的 timecounter 与 APIC 初始化存在的差异。
当前 FreeBSD microvm 内核可在 QEMU microvm 下启动，但未调用 tc_init，限制了可用定时器。Firecracker 移植仍存在 MPTables 问题，需要进一步研究。尽管存在这些限制，该项目拓展了 Wyatt 对 FreeBSD 与 NetBSD 内核内部机制、虚拟化及 microvm 平台的理解，并生成了详细文档，涵盖 FreeBSD 在 microvm 和 Firecracker 中的构建、运行与调试方法。该工作为未来对 FreeBSD、QEMU microvm 和 Firecracker 的支持，以及可复现的 microvm 调试流程奠定了基础。
更多信息可见 Wyatt 的博客，代码在 Wyatt 的 src 仓库 fork。
导师峰会
Robert Clausecker，FreeBSD 谷歌编程之夏联合管理员及导师，代表 FreeBSD 参加了 10 月 23 至 25 日在德国慕尼黑举办的导师峰会。会议讨论了 AI 生成及垃圾申请的问题，目前尚无确定方案。其中一个考虑方向是要求申请者在提交申请前与潜在导师会面，以保证导师、贡献者与项目的良好匹配，这也是 FreeBSD 过去几年已推广的做法。Robert 还与 Linux 基金会代表会面，探讨两家基金会在操作系统开发学生吸引方面的潜在合作。
峰会还涉及开源项目资金问题。Robert 与 RTEMS（一种用于多种设备的实时操作系统）的开发者交流，了解到其系统中集成了 FreeBSD 的网络栈。他还会见了谷歌编程之夏组织者 Stephanie Taylor，分享了谷歌编程之夏对 FreeBSD 的积极影响。当然，他也带回了一些周边，包括一件 T 恤和一对编程之夏纪念袜。
最终思考
回顾 2025 谷歌编程之夏项目的成功令人欣慰，但 2026 谷歌编程之夏很快就会到来。和往常一样，要重复今年的成功，最大的挑战在于设计合适的项目、寻找投入的导师，以及将申请者与导师匹配。幸运的是，谷歌编程之夏最近的变化将有助于缓解这些问题。
灵活的时间表与项目规模：项目时间安排更加灵活。贡献者和导师可选择小型（90 小时）、中型（175 小时）或大型（350 小时）项目，总项目时间可延长，超出标准 8 周（小型）或 12 周（中型和大型）的限制。
扩展的贡献者池：申请者群体扩大。参与者不必是大学生，任何开源新手都有资格参与。
但目前，让我们先享受这一集体成功，并肯定今年项目付出的巨大努力。
致谢
感谢所有向 https://wiki.freebsd.org/SummerOfCodeIdeas 提供项目创意的人，尤其是 2025 年的导师们：
John Baldwin
Olivier Certner
Robert Clausecker
Pedro Giffuni
Tom Jones
Warner Losh
Ed Maste
Getz Mikalsen
Joe Mingrone
Mehdi Mokhtari
George Neville-Neil
Colin Percival
Alfonso Sabato Siciliano
Alan Somers
Toomas Soome
Fedor Uporov
Aymeric Wibo
Joe Mingrone 是 FreeBSD Ports 开发者，为 FreeBSD 基金会工作。他与妻子及两只猫共同居住在加拿大新斯科舍省的达特茅斯。
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