操作系统的超强入门科普（Unix/Linux篇）
发布时间：2023-12-14 浏览次数：102次
今天这篇文章，我们来聊聊操作系统（Operating System）。说到操作系统，大家都不会陌生。我们天天都在接触操作系统——用台式机或笔记本电脑，使用的是windows和macOS系统；用手机、平板电脑，则是android（安卓）和iOS系统。如果是从事信息通信行业，还经常会和ubuntu、CentOS、Fedora这样的Linux系统打交道。其实，操作系统的种类极多，远远不止我们知道的这些。从使用场景来看，操作系统大致可以分为桌面操作系统、服务器操作系统、移动终端操作系统、嵌入式操作系统、物联网操作系统、云操作系统等类别。
它属于底层软件，可以说是一个大管家，专门负责把所有的硬件和上层软件（中间件、数据库、应用程序等）管理和连通起来，并进行资源调配，完成用户下达的任务。操作系统包揽了很多底层的复杂工作，大大简化了应用软件的开发难度。比如说，我开发一个视频播放器，就不需要写那些底层硬件代码。用户有了操作系统，就能更好地管理计算机，进行人机交互（下达命令，查询结果和状态）。新手学习操作系统，最麻烦的是认名字和认类别。接下来，小枣君就从时间线的角度，对所有的操作系统关系进行一下梳理。1946年2月，在美国的宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台电子计算机，它的名称叫ENIAC（埃尼阿克）。ENIAC是由大量的电子管（真空管）组成，体积极为庞大，占地170平方米，重达30吨，耗电174千瓦。在算力上，它可以实现每秒5000次的加法运算。这种早期的计算机，既没有显示器，也没有键盘，更没有鼠标，全部都是人工操作。在使用时，专职操作员将运算信息记录在穿孔卡带上。系统启动后，读取卡带信息，然后进行运算，最后输出结果。计算机的速度快，人的速度慢。所以，计算机经常处于等待状态，等待操作员的输入。这严重耽误了计算效率，浪费时间，也浪费钱（电费）。于是，到了20世纪50年代，开始出现了批处理系统（batch processing）。批处理系统中，操作员把用户提交的作业进行分类，把一批作业编成一个“作业执行序列”。每一批作业，都由专门编制的监督程序（monitor）自动依次处理。这个“监督程序”，就是操作系统的雏形。它标志着操作系统的诞生（1955年）。最早使用批处理系统的，是第二代通用计算机，代表产品是IBM的1401和7094等。例如，当作业进行I/O（输入/输出）操作时，主机会等待操作完成，造成自身空闲。再例如，计算机只能同时运行一个批处理任务，效率还是太低。到了60年代，集成电路技术高速发展，我们有了更快的处理器、更大的内存、更丰富的I/O设备。同时，通道和中断技术出现，开始允许系统执行“挂起”操作。简单来说，计算机系统从串行变成了并行，可以同时运行多个任务（多个程序放入内存，交替在CPU中运行，共享硬软件资源）。多道程序系统大幅提升了计算机的工作效率。再后来，系统又支持了多个用户同时使用。于是，就变成了“多用户 多任务”的系统，称为“分时系统”。“分时”和我们通信领域的“时分复用”有点像，就是把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流分配给各个作业使用。再后来，技术又继续演进。终于，我们有了时效性更强的“实时操作系统”。这种系统，就非常接近于现代操作系统的概念了。1964年，美国电话电报公司（AT&T）、通用电器公司（GE）及麻省理工学院（MIT）合作，提出了一个超级分时操作系统的开发计划。这个计划，被命名为Multics OS。Multics是“MULTiplexed Information and Coputing System（多路信息与计算系统）”的意思。当时，他们打算借助这个系统，打造一台能够连接1000台终端、满足300人同时在线的计算机。这个计划持续了五年，并没有达到既定目标。于是，1969年，隶属AT&T公司的贝尔实验室（Bell Labs）宣布退出。贝尔实验室退出之后，相关的项目组成员就闲了下来。其中就有一个人，名字叫做肯·汤普森（Ken Thompson）。肯·汤普森此前在Multics上开发了一款名叫"星际旅行（Space Travel）" 的游戏。退出Multics项目后，肯·汤普森就没办法继续玩这个游戏了。于是，他突发奇想，打算在一台空闲的PDP-7（DEC公司生产的一种小型计算机，性能很低）上，开发一个简单操作系统，运行这个游戏。1969年8月，肯·汤普森趁着妻子回家探亲，用了1个月的时间，使用汇编语言，写出了一个简版的Multics系统（包括一组内核程序，一些内核工具程序，以及一个小的文件系统）。实验室的同事们，将这个系统戏称为Unics。Uni作为前缀，是“单一、一个”的意思。Unics，对应Multics，是“单路信息与计算系统”的意思。基于汇编语言编写的Unics，硬件通用性差，没法移植到其它机器上运行。因此，肯·汤普森尝试使用BCPL、PASCAL语言进行重写。但是，效果并不理想。这时，他的同事丹尼斯.里奇（Dennis Ritchie）站了出来。丹尼斯.里奇在BCPL语言（也就是B语言）的基础上，开发了一套新的语言，也就是后来如日中天的C语言（按字母表顺序，B之后就是C）。不久后，丹尼斯.里奇用C语言重写Unics成功。就这样，Unix操作系统正式诞生了。1973年，丹尼斯·里奇和肯·汤普森正式发表论文，宣布了Unix的存在。消息引起很大反响，很多人都期望学习和研究Unix。贝尔实验室（AT&T）推出了Unix之后，因为受美国政府反垄断制裁的原因，并不能对它进行销售。所以，他们只能将Unix无偿提供给所有人学习。又过了一段时间，AT&T发布了Unix系统第5版，并授权给教育机构使用。1975年，他们第一次以2万美元的价格，授权企业使用Unix第6版。1977年，伯克利大学的研究生比尔·乔伊（Bill Joy），将Unix程序整理到磁带上，推出了BSD版本。BSD，就是Berkeley Software Distribution（伯克利软件发行版）。1978年，SCO（一家服务器系统软件供应商）包装发行了商用版的Unix。目前公认的最完美版本，是1979年发行的System V7。这个版本也被Unix玩家们称为“最后一个真正的UNIX”。1980年，美国国防高级研究计划局（DARPA）准备制定TCP/IP协议，选择了与BSD合作。这大大刺激了Unix的发展和普及。后来，丹尼斯·里奇和肯·汤普森被誉为Unix之父和C语言之父。1983年，他们二人都获得了图灵奖。在System V7推出之后，AT&T发布新的使用条款，将Unix源代码私有化。Unix开始走向了商业闭源之路。很多公司，都推出了自己的Unix系统分支。比较有名的，是Sun公司的Solaris、IBM公司的AIX、惠普公司的HP-UX，以及由BSD版本发展起来的FreeBSD。Solaris这个系统，小枣君非常熟悉。当年我就是通过Solaris学会的Unix。它的稳定性极高，主要用在SUN公司的服务器（V240/V440等）上，CPU都是完全不一样的，叫做SPARC。FreeBSD的应用范围就广多了。它在BSD许可协议下发布，由来自世界各地的志愿者开发和维护，允许任何人随意使用和发行（在保留版权和许可协议信息的前提下）。Unix开始收费和商业闭源之后，引起了一个大叔的不满。这个大叔，名叫理查德·马修·斯托曼（Richard Matthew Stallman）。1984年，他发起了自由软件体系GNU（GNU is not unix），模仿Unix的界面和使用方式，重新开发一个开源的版本。他还组织成立了FSF（Free Software Foundation，自由软件基金会），起草了GPL（GeneralPublicLicense，通用公共许可证）。斯托曼的做法，具有划时代的意义。他开创了开源软件的黄金时代。所有GPL协议下的自由软件，都必须遵循“Copyleft（非版权）"原则——即：自由软件，允许用户自由拷贝、修改和销售。但是，对其源代码的任何修改，都必须向所有用户公开。到上世纪90年代初，GNU项目已经开发出许多高质量的免费软件，其中包括有名的emacs编辑系统、bash shell程序、gcc系列编译程序、gdb调试程序等等。Unix源代码私有化之后，在大学中不再允许使用Unix源代码。1987年，荷兰阿姆斯特丹自由大学计算机系的安德鲁·塔能鲍姆教授（Andrew S. Tanenbaum，也译为谭宁邦），为了能在课堂上教授操作系统课程，决定在不使用任何AT&T源代码的前提下，自行开发与Unix兼容的操作系统。他将这个系统称为MINIX，也就是mini-UNIX（小型UNIX）的意思。MINIX的主要工作平台，是IBM PC及其兼容机。这款PC搭载了英特尔公司的16位处理器——Intel 8080。开发出MINIX之后，塔能鲍姆教授并没有对它进行大规模推广。而且，他认为这个系统只是用于教育目的，所以也没有进行深入开发。他甚至还不允许别人加入代码（估计是怕侵权Unix），这就更加限制了MINIX的发展和普及。1991年，正在芬兰赫尔辛基大学求学的林纳斯·托瓦兹（Linus Torvalds），对Unix产生浓厚兴趣，尝试借助MINIX完成一些日常工作。MINIX的功能太弱，无法满足林纳斯的需求。于是，他利用GNU的bash当做开发环境，gcc当做编译工具，成功编写出了拥有10000行代码的Linux内核（Linux kernel）。林纳斯的Linux内核基于POSIX（Portable Operating System Interface for Computing Systems，可移植操作系统接口）标准，能够与绝大多数Unix操作系统兼容。他在发布时，选择了遵循GPL协议和GNU宗旨，所以，正式发布时，命名为“GNU/linux”。这里，我要特别说明一下，Linux和Unix的关系。很多人觉得，Linux就是Unix，这显然是不对的。由上面的介绍可以看出，Linux是开源自由软件，而Unix是对源代码实行知识产权保护的传统商业软件。两者是完全不同的东西。那么，Linux是不是类Unix（Unix-like）系统呢？Linux只是风格上和Unix很像，但它并不含有Unix的代码。UNIX的源代码，为SCO公司所有。UNIX的商标权和标准认定权，属于OPENGROUP所有。真正意义上的类Unix系统，必须要通过官方认证（例如苹果的MacOS）。而Linux并没有。大家注意，林纳斯1991年开发的，并不是一个操作系统，而是一个内核。后来，全球开发者（开源社区、企业、个人等）对内核代码进行大量的修改和补充，加入GUI（图形界面）、应用等部分，才形成了相应的Linux操作系统发行版，也就是真正的操作系统。这些发行版分为社区版和商业版。社区版数量较多，开发和维护的主体是开源社区。商业版数量较少，是在社区版的基础上进一步优化而来。值得一提的是，发行版之间也有复杂的衍生关系。也就是说，发行版可以构建在另一个发行版之上。一些大家可能比较熟悉的发行版，包括：Ubuntu、Debian、Centos、Fedora、 Redhat Linux、Slackware、Turbolinux、Mandrake、SUSE、红旗、麒麟等。Slackware和Debian是最早期的两个发行版，创建于1993年。Debian的后代分支比较庞大。除了Debian本身之外，这个分支的主要代表还有Ubuntu（构建在Debian之上）、LinuxMint（构建在Ubuntu之上）、Kali Linux。Redhat，也就是大家很熟悉的红帽系列。它的主要发行版是Red Hat Enterprise Linux（RHEL），针对企业客户。CentOS是RHEL源代码再编译的产物，修正了不少Bug，稳定性更强。除了RHEL之外，Redhat还向社区提供另一个免费发行版，即Fedora。上面这些操作系统，小枣君基本都用过。2005年我刚工作的时候，用的是Debian、RHEL、Solaris。后来，开始用Fedora。再后来，是CentOS。刚开始的使用，很难受，不适应。但是一旦用习惯了，就觉得很爽。2020年底，红帽公司宣布陆续停止维护CentOS，后续将无法获得官方升级和补丁。虽然比较可惜，但也给国产操作系统带来了机会，我们以后会讲。
