操作系統的最強入門科普（Unix / Linux 篇）_熱議

大家好，我是小棗君。

今天這篇文章，我們來聊聊操作系統（Operating System）。

(資料圖片)

說到操作系統，大家都不會陌生。我們天天都在接觸操作系統 —— 用臺式機或筆記本電腦，使用的是 windows 和 macOS 系統；用手機、平板電腦，則是 android（安卓）和 iOS 系統。

如果是從事信息通信行業(yè)，還經常會和 ubuntu、CentOS、Fedora 這樣的 Linux 系統打交道。

其實，操作系統的種類極多，遠遠不止我們知道的這些。

從使用場景來看，操作系統大致可以分為桌面操作系統、服務器操作系統、移動終端操作系統、嵌入式操作系統、物聯網操作系統、云操作系統等類別。

如下表所示：

那么，操作系統究竟是什么？

從本質來看，操作系統其實就是一套軟件。

它屬于底層軟件，可以說是一個大管家，專門負責把所有的硬件和上層軟件（中間件、數據庫、應用程序等）管理和連通起來，并進行資源調配，完成用戶下達的任務。

操作系統包攬了很多底層的復雜工作，大大簡化了應用軟件的開發(fā)難度。

比如說，我開發(fā)一個視頻播放器，就不需要寫那些底層硬件代碼。

操作系統還有一個重要作用，就是方便用戶使用。

用戶有了操作系統，就能更好地管理計算機，進行人機交互（下達命令，查詢結果和狀態(tài)）。

新手學習操作系統，最麻煩的是認名字和認類別。接下來，小棗君就從時間線的角度，對所有的操作系統關系進行一下梳理。

█ 操作系統的誕生

操作系統這個東西，并不是計算機誕生時就有的。

1946 年 2 月，在美國的賓夕法尼亞大學誕生了世界上第一臺電子計算機，它的名稱叫 ENIAC（埃尼阿克）。

ENIAC 是由大量的電子管（真空管）組成，體積極為龐大，占地 170 平方米，重達 30 噸，耗電 174 千瓦。在算力上，它可以實現每秒 5000 次的加法運算。

這種早期的計算機，既沒有顯示器，也沒有鍵盤，更沒有鼠標，全部都是人工操作。

在使用時，專職操作員將運算信息記錄在穿孔卡帶上。系統啟動后，讀取卡帶信息，然后進行運算，最后輸出結果。

計算機的速度快，人的速度慢。所以，計算機經常處于等待狀態(tài)，等待操作員的輸入。

這嚴重耽誤了計算效率，浪費時間，也浪費錢（電費）。于是，到了 20 世紀 50 年代，開始出現了批處理系統（batch processing）。

批處理系統中，操作員把用戶提交的作業(yè)進行分類，把一批作業(yè)編成一個“作業(yè)執(zhí)行序列”。每一批作業(yè)，都由專門編制的監(jiān)督程序（monitor）自動依次處理。

這個“監(jiān)督程序”，就是操作系統的雛形。它標志著操作系統的誕生（1955 年）。

最早使用批處理系統的，是第二代通用計算機，代表產品是 IBM 的 1401 和 7094 等。

批處理雖然提升了效率，但仍存在缺陷。

例如，當作業(yè)進行 I / O（輸入 / 輸出）操作時，主機會等待操作完成，造成自身空閑。再例如，計算機只能同時運行一個批處理任務，效率還是太低。

到了 60 年代，集成電路技術高速發(fā)展，我們有了更快的處理器、更大的內存、更豐富的 I / O 設備。同時，通道和中斷技術出現，開始允許系統執(zhí)行“掛起”操作。

于是，就有了“多道程序系統”。

簡單來說，計算機系統從串行變成了并行，可以同時運行多個任務（多個程序放入內存，交替在 CPU 中運行，共享硬軟件資源）。

多道程序系統大幅提升了計算機的工作效率。再后來，系統又支持了多個用戶同時使用。于是，就變成了“多用戶 + 多任務”的系統，稱為“分時系統”。

“分時”和我們通信領域的“時分復用”有點像，就是把處理機的運行時間分成很短的時間片，按時間片輪流分配給各個作業(yè)使用。

再后來，技術又繼續(xù)演進。終于，我們有了時效性更強的“實時操作系統”。這種系統，就非常接近于現代操作系統的概念了。

█ UNIX 的誕生

1964 年，美國電話電報公司（AT&T）、通用電器公司（GE）及麻省理工學院（MIT）合作，提出了一個超級分時操作系統的開發(fā)計劃。

這個計劃，被命名為 Multics OS。Multics 是“MULTiplexed Information and Coputing System（多路信息與計算系統）”的意思。

當時，他們打算借助這個系統，打造一臺能夠連接 1000 臺終端、滿足 300 人同時在線的計算機。

這個計劃持續(xù)了五年，并沒有達到既定目標。于是，1969 年，隸屬 AT&T 公司的貝爾實驗室（Bell Labs）宣布退出。

貝爾實驗室退出之后，相關的項目組成員就閑了下來。其中就有一個人，名字叫做肯?湯普森（Ken Thompson）。

肯?湯普森此前在 Multics 上開發(fā)了一款名叫 "星際旅行（Space Travel）" 的游戲。退出 Multics 項目后，肯?湯普森就沒辦法繼續(xù)玩這個游戲了。

于是，他突發(fā)奇想，打算在一臺空閑的 PDP-7（DEC 公司生產的一種小型計算機，性能很低）上，開發(fā)一個簡單操作系統，運行這個游戲。

1969 年 8 月，肯?湯普森趁著妻子回家探親，用了 1 個月的時間，使用匯編語言，寫出了一個簡版的 Multics 系統（包括一組內核程序，一些內核工具程序，以及一個小的文件系統）。

實驗室的同事們，將這個系統戲稱為 Unics。Uni 作為前綴，是“單一、一個”的意思。Unics，對應 Multics，是“單路信息與計算系統”的意思。

后來，大家又取其諧音，直接稱其為“Unix”。

基于匯編語言編寫的 Unics，硬件通用性差，沒法移植到其它機器上運行。因此，肯?湯普森嘗試使用 BCPL、PASCAL 語言進行重寫。但是，效果并不理想。

這時，他的同事丹尼斯.里奇（Dennis Ritchie）站了出來。

丹尼斯.里奇在 BCPL 語言（也就是 B 語言）的基礎上，開發(fā)了一套新的語言，也就是后來如日中天的 C 語言（按字母表順序，B 之后就是 C）。

不久后，丹尼斯.里奇用 C 語言重寫 Unics 成功。就這樣，Unix 操作系統正式誕生了。

1973 年，丹尼斯?里奇和肯?湯普森正式發(fā)表論文，宣布了 Unix 的存在。消息引起很大反響，很多人都期望學習和研究 Unix。

貝爾實驗室（AT&T）推出了 Unix 之后，因為受美國政府反壟斷制裁的原因，并不能對它進行銷售。所以，他們只能將 Unix 無償提供給所有人學習。

又過了一段時間，AT&T 發(fā)布了 Unix 系統第 5 版，并授權給教育機構使用。1975 年，他們第一次以 2 萬美元的價格，授權企業(yè)使用 Unix 第 6 版。

這期間，很多企業(yè)和機構開始打 Unix 的主意。

1977 年，伯克利大學的研究生比爾?喬伊（Bill Joy），將 Unix 程序整理到磁帶上，推出了 BSD 版本。BSD，就是 Berkeley Software Distribution（伯克利軟件發(fā)行版）。

1978 年，SCO（一家服務器系統軟件供應商）包裝發(fā)行了商用版的 Unix。

目前公認的最完美版本，是 1979 年發(fā)行的 System V7。這個版本也被 Unix 玩家們稱為“最后一個真正的 UNIX”。

1980 年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）準備制定 TCP / IP 協議，選擇了與 BSD 合作。這大大刺激了 Unix 的發(fā)展和普及。

后來，丹尼斯?里奇和肯?湯普森被譽為 Unix 之父和 C 語言之父。1983 年，他們二人都獲得了圖靈獎。

在 System V7 推出之后，AT&T 發(fā)布新的使用條款，將 Unix 源代碼私有化。Unix 開始走向了商業(yè)閉源之路。

很多公司，都推出了自己的 Unix 系統分支。比較有名的，是 Sun 公司的 Solaris、IBM 公司的 AIX、惠普公司的 HP-UX，以及由 BSD 版本發(fā)展起來的 FreeBSD。

Solaris 這個系統，小棗君非常熟悉。當年我就是通過 Solaris 學會的 Unix。它的穩(wěn)定性極高，主要用在 SUN 公司的服務器（V240 / V440 等）上，CPU 都是完全不一樣的，叫做 SPARC。

FreeBSD 的應用范圍就廣多了。它在 BSD 許可協議下發(fā)布，由來自世界各地的志愿者開發(fā)和維護，允許任何人隨意使用和發(fā)行（在保留版權和許可協議信息的前提下）。

蘋果公司的 OS X，就是基于 FreeBSD 的。

詳細的 Unix 閉源分支我就不多說了，發(fā)一張圖，大家可以參考：

█Linux 的誕生

Unix 開始收費和商業(yè)閉源之后，引起了一個大叔的不滿。這個大叔，名叫理查德?馬修?斯托曼（Richard Matthew Stallman）。

1984 年，他發(fā)起了自由軟件體系 GNU（GNU is not unix），模仿 Unix 的界面和使用方式，重新開發(fā)一個開源的版本。他還組織成立了 FSF（Free Software Foundation，自由軟件基金會），起草了 GPL（GeneralPublicLicense，通用公共許可證）。

斯托曼的做法，具有劃時代的意義。他開創(chuàng)了開源軟件的黃金時代。

所有 GPL 協議下的自由軟件，都必須遵循“Copyleft（非版權）" 原則 ——

即：自由軟件，允許用戶自由拷貝、修改和銷售。但是，對其源代碼的任何修改，都必須向所有用戶公開。

到上世紀 90 年代初，GNU 項目已經開發(fā)出許多高質量的免費軟件，其中包括有名的 emacs 編輯系統、bash shell 程序、gcc 系列編譯程序、gdb 調試程序等等。

這些都為后來 Linux 的誕生創(chuàng)造了條件。

Unix 源代碼私有化之后，在大學中不再允許使用 Unix 源代碼。

1987 年，荷蘭阿姆斯特丹自由大學計算機系的安德魯?塔能鮑姆教授（Andrew S. Tanenbaum，也譯為譚寧邦），為了能在課堂上教授操作系統課程，決定在不使用任何 AT&T 源代碼的前提下，自行開發(fā)與 Unix 兼容的操作系統。

他將這個系統稱為 MINIX，也就是 mini-UNIX（小型 UNIX）的意思。

MINIX 的主要工作平臺，是 IBM PC 及其兼容機。這款 PC 搭載了英特爾公司的 16 位處理器 ——Intel 8080。

開發(fā)出 MINIX 之后，塔能鮑姆教授并沒有對它進行大規(guī)模推廣。而且，他認為這個系統只是用于教育目的，所以也沒有進行深入開發(fā)。

他甚至還不允許別人加入代碼（估計是怕侵權 Unix），這就更加限制了 MINIX 的發(fā)展和普及。

1991 年，正在芬蘭赫爾辛基大學求學的林納斯?托瓦茲（Linus Torvalds），對 Unix 產生濃厚興趣，嘗試借助 MINIX 完成一些日常工作。

MINIX 的功能太弱，無法滿足林納斯的需求。于是，他利用 GNU 的 bash 當做開發(fā)環(huán)境，gcc 當做編譯工具，成功編寫出了擁有 10000 行代碼的 Linux 內核（Linux kernel）。

此時的林納斯，只有 21 歲！

林納斯的 Linux 內核基于 POSIX（Portable Operating System Interface for Computing Systems，可移植操作系統接口）標準，能夠與絕大多數 Unix 操作系統兼容。

他在發(fā)布時，選擇了遵循 GPL 協議和 GNU 宗旨，所以，正式發(fā)布時，命名為“GNU / linux”。

因為林納斯小時候被企鵝咬過，印象非常深刻

█Linux 和 Unix 的關系

這里，我要特別說明一下，Linux 和 Unix 的關系。

很多人覺得，Linux 就是 Unix，這顯然是不對的。由上面的介紹可以看出，Linux 是開源自由軟件，而 Unix 是對源代碼實行知識產權保護的傳統商業(yè)軟件。兩者是完全不同的東西。

那么，Linux 是不是類 Unix（Unix-like）系統呢？

嚴格來說，也不行。

Linux 只是風格上和 Unix 很像，但它并不含有 Unix 的代碼。UNIX 的源代碼，為 SCO 公司所有。UNIX 的商標權和標準認定權，屬于 OPENGROUP 所有。

真正意義上的類 Unix 系統，必須要通過官方認證（例如蘋果的 MacOS）。而 Linux 并沒有。

█Linux 的發(fā)行版

大家注意，林納斯 1991 年開發(fā)的，并不是一個操作系統，而是一個內核。

后來，全球開發(fā)者（開源社區(qū)、企業(yè)、個人等）對內核代碼進行大量的修改和補充，加入 GUI（圖形界面）、應用等部分，才形成了相應的 Linux 操作系統發(fā)行版，也就是真正的操作系統。

這些發(fā)行版分為社區(qū)版和商業(yè)版。社區(qū)版數量較多，開發(fā)和維護的主體是開源社區(qū)。商業(yè)版數量較少，是在社區(qū)版的基礎上進一步優(yōu)化而來。

值得一提的是，發(fā)行版之間也有復雜的衍生關系。也就是說，發(fā)行版可以構建在另一個發(fā)行版之上。

一些大家可能比較熟悉的發(fā)行版，包括：Ubuntu、Debian、Centos、Fedora、 Redhat Linux、Slackware、Turbolinux、Mandrake、SUSE、紅旗、麒麟等。

Slackware 和 Debian 是最早期的兩個發(fā)行版，創(chuàng)建于 1993 年。

Debian 的后代分支比較龐大。除了 Debian 本身之外，這個分支的主要代表還有 Ubuntu（構建在 Debian 之上）、LinuxMint（構建在 Ubuntu 之上）、Kali Linux。

Redhat，也就是大家很熟悉的紅帽系列。它的主要發(fā)行版是 Red Hat Enterprise Linux（RHEL），針對企業(yè)客戶。

CentOS 是 RHEL 源代碼再編譯的產物，修正了不少 Bug，穩(wěn)定性更強。

除了 RHEL 之外，Redhat 還向社區(qū)提供另一個免費發(fā)行版，即 Fedora。

這些發(fā)行版的具體關系和發(fā)布時間，如下圖所示：

上面這些操作系統，小棗君基本都用過。2005 年我剛工作的時候，用的是 Debian、RHEL、Solaris。后來，開始用 Fedora。再后來，是 CentOS。剛開始的使用，很難受，不適應。但是一旦用習慣了，就覺得很爽。

2020 年底，紅帽公司宣布陸續(xù)停止維護 CentOS，后續(xù)將無法獲得官方升級和補丁。雖然比較可惜，但也給國產操作系統帶來了機會，我們以后會講。

█未完待續(xù)……

說到這里，大家應該對 Unix 和 Linux 操作系統的家族脈絡有了基本的了解。

下期文章，小棗君會重點聊聊 Windows和 macOS那條線。敬請關注！

本文來自微信公眾號：鮮棗課堂 （ID：xzclasscom），作者：小棗君