操作系統(tǒng)的最強(qiáng)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(tǒng)（Operating System）。

(資料圖片)

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

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

其實(shí)，操作系統(tǒng)的種類極多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止我們知道的這些。

從使用場景來看，操作系統(tǒng)大致可以分為桌面操作系統(tǒng)、服務(wù)器操作系統(tǒng)、移動終端操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)、云操作系統(tǒng)等類別。

如下表所示：

那么，操作系統(tǒng)究竟是什么？

從本質(zhì)來看，操作系統(tǒng)其實(shí)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(fù)責(zé)把所有的硬件和上層軟件（中間件、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序等）管理和連通起來，并進(jìn)行資源調(diào)配，完成用戶下達(dá)的任務(wù)。

操作系統(tǒng)包攬了很多底層的復(fù)雜工作，大大簡化了應(yīng)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(tǒng)還有一個重要作用，就是方便用戶使用。

用戶有了操作系統(tǒng)，就能更好地管理計(jì)算機(jī)，進(jìn)行人機(jī)交互（下達(dá)命令，查詢結(jié)果和狀態(tài)）。

新手學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)，最麻煩的是認(rèn)名字和認(rèn)類別。接下來，小棗君就從時間線的角度，對所有的操作系統(tǒng)關(guān)系進(jìn)行一下梳理。

█ 操作系統(tǒng)的誕生

操作系統(tǒng)這個東西，并不是計(jì)算機(jī)誕生時就有的。

1946 年 2 月，在美國的賓夕法尼亞大學(xué)誕生了世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)，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(dá) 30 噸，耗電 174 千瓦。在算力上，它可以實(shí)現(xiàn)每秒 5000 次的加法運(yùn)算。

這種早期的計(jì)算機(jī)，既沒有顯示器，也沒有鍵盤，更沒有鼠標(biāo)，全部都是人工操作。

在使用時，專職操作員將運(yùn)算信息記錄在穿孔卡帶上。系統(tǒng)啟動后，讀取卡帶信息，然后進(jìn)行運(yùn)算，最后輸出結(jié)果。

計(jì)算機(jī)的速度快，人的速度慢。所以，計(jì)算機(jī)經(jīng)常處于等待狀態(tài)，等待操作員的輸入。

這嚴(yán)重耽誤了計(jì)算效率，浪費(fèi)時間，也浪費(fèi)錢（電費(fèi)）。于是，到了 20 世紀(jì) 50 年代，開始出現(xiàn)了批處理系統(tǒng)（batch processing）。

批處理系統(tǒng)中，操作員把用戶提交的作業(yè)進(jìn)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(tǒng)的雛形。它標(biāo)志著操作系統(tǒng)的誕生（1955 年）。

最早使用批處理系統(tǒng)的，是第二代通用計(jì)算機(jī)，代表產(chǎn)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(dāng)作業(yè)進(jìn)行 I / O（輸入 / 輸出）操作時，主機(jī)會等待操作完成，造成自身空閑。再例如，計(jì)算機(jī)只能同時運(yùn)行一個批處理任務(wù)，效率還是太低。

到了 60 年代，集成電路技術(shù)高速發(fā)展，我們有了更快的處理器、更大的內(nèi)存、更豐富的 I / O 設(shè)備。同時，通道和中斷技術(shù)出現(xiàn)，開始允許系統(tǒng)執(zhí)行“掛起”操作。

于是，就有了“多道程序系統(tǒng)”。

簡單來說，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從串行變成了并行，可以同時運(yùn)行多個任務(wù)（多個程序放入內(nèi)存，交替在 CPU 中運(yùn)行，共享硬軟件資源）。

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

“分時”和我們通信領(lǐng)域的“時分復(fù)用”有點(diǎn)像，就是把處理機(jī)的運(yùn)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(shù)又繼續(xù)演進(jìn)。終于，我們有了時效性更強(qiáng)的“實(shí)時操作系統(tǒng)”。這種系統(tǒng)，就非常接近于現(xiàn)代操作系統(tǒng)的概念了。

█ UNIX 的誕生

1964 年，美國電話電報(bào)公司（AT&T）、通用電器公司（GE）及麻省理工學(xué)院（MIT）合作，提出了一個超級分時操作系統(tǒng)的開發(fā)計(jì)劃。

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

當(dāng)時，他們打算借助這個系統(tǒng)，打造一臺能夠連接 1000 臺終端、滿足 300 人同時在線的計(jì)算機(jī)。

這個計(jì)劃持續(xù)了五年，并沒有達(dá)到既定目標(biāo)。于是，1969 年，隸屬 AT&T 公司的貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs）宣布退出。

貝爾實(shí)驗(yàn)室退出之后，相關(guān)的項(xiàng)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(xiàng)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(chǎn)的一種小型計(jì)算機(jī)，性能很低）上，開發(fā)一個簡單操作系統(tǒng)，運(yùn)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(tǒng)（包括一組內(nèi)核程序，一些內(nèi)核工具程序，以及一個小的文件系統(tǒng)）。

實(shí)驗(yàn)室的同事們，將這個系統(tǒng)戲稱為 Unics。Uni 作為前綴，是“單一、一個”的意思。Unics，對應(yīng) Multics，是“單路信息與計(jì)算系統(tǒng)”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(jī)器上運(yùn)行。因此，肯?湯普森嘗試使用 BCPL、PASCAL 語言進(jìn)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(chǔ)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(tǒng)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(xué)習(xí)和研究 Unix。

貝爾實(shí)驗(yàn)室（AT&T）推出了 Unix 之后，因?yàn)槭苊绹磯艛嘀撇玫脑?，并不能對它進(jìn)行銷售。所以，他們只能將 Unix 無償提供給所有人學(xué)習(xí)。

又過了一段時間，AT&T 發(fā)布了 Unix 系統(tǒng)第 5 版，并授權(quán)給教育機(jī)構(gòu)使用。1975 年，他們第一次以 2 萬美元的價(jià)格，授權(quán)企業(yè)使用 Unix 第 6 版。

這期間，很多企業(yè)和機(jī)構(gòu)開始打 Unix 的主意。

1977 年，伯克利大學(xué)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(wù)器系統(tǒng)軟件供應(yīng)商）包裝發(fā)行了商用版的 Unix。

目前公認(rèn)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(jì)劃局（DARPA）準(zhǔn)備制定 TCP / IP 協(xié)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(yù)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(tǒng)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(tǒng)，小棗君非常熟悉。當(dāng)年我就是通過 Solaris 學(xué)會的 Unix。它的穩(wěn)定性極高，主要用在 SUN 公司的服務(wù)器（V240 / V440 等）上，CPU 都是完全不一樣的，叫做 SPARC。

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

蘋果公司的 OS X，就是基于 FreeBSD 的。

詳細(xì)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(fèi)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(xié)議下的自由軟件，都必須遵循“Copyleft（非版權(quán)）" 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(jì) 90 年代初，GNU 項(xiàng)目已經(jīng)開發(fā)出許多高質(zhì)量的免費(fèi)軟件，其中包括有名的 emacs 編輯系統(tǒng)、bash shell 程序、gcc 系列編譯程序、gdb 調(diào)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(xué)中不再允許使用 Unix 源代碼。

1987 年，荷蘭阿姆斯特丹自由大學(xué)計(jì)算機(jī)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(tǒng)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(tǒng)。

他將這個系統(tǒng)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(jī)。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(jìn)行大規(guī)模推廣。而且，他認(rèn)為這個系統(tǒng)只是用于教育目的，所以也沒有進(jìn)行深入開發(fā)。

他甚至還不允許別人加入代碼（估計(jì)是怕侵權(quán) 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(xué)求學(xué)的林納斯?托瓦茲（Linus Torvalds），對 Unix 產(chǎn)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(dāng)做開發(fā)環(huán)境，gcc 當(dāng)做編譯工具，成功編寫出了擁有 10000 行代碼的 Linux 內(nèi)核（Linux kernel）。

此時的林納斯，只有 21 歲！

林納斯的 Linux 內(nèi)核基于 POSIX（Portable Operating System Interface for Computing Systems，可移植操作系統(tǒng)接口）標(biāo)準(zhǔn)，能夠與絕大多數(shù) Unix 操作系統(tǒng)兼容。

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

因?yàn)榱旨{斯小時候被企鵝咬過，印象非常深刻

█Linux 和 Unix 的關(guān)系

這里，我要特別說明一下，Linux 和 Unix 的關(guān)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(shí)行知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的傳統(tǒng)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(tǒng)呢？

嚴(yán)格來說，也不行。

Linux 只是風(fēng)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(biāo)權(quán)和標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定權(quán)，屬于 OPENGROUP 所有。

真正意義上的類 Unix 系統(tǒng)，必須要通過官方認(rèn)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(tǒng)，而是一個內(nèi)核。

后來，全球開發(fā)者（開源社區(qū)、企業(yè)、個人等）對內(nèi)核代碼進(jìn)行大量的修改和補(bǔ)充，加入 GUI（圖形界面）、應(yīng)用等部分，才形成了相應(yīng)的 Linux 操作系統(tǒng)發(fā)行版，也就是真正的操作系統(tǒng)。

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

值得一提的是，發(fā)行版之間也有復(fù)雜的衍生關(guān)系。也就是說，發(fā)行版可以構(gòu)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(gòu)建在 Debian 之上）、LinuxMint（構(gòu)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(chǎn)物，修正了不少 Bug，穩(wěn)定性更強(qiáng)。

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

這些發(fā)行版的具體關(guān)系和發(fā)布時間，如下圖所示：

上面這些操作系統(tǒng)，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(yīng)。但是一旦用習(xí)慣了，就覺得很爽。

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

█未完待續(xù)……

說到這里，大家應(yīng)該對 Unix 和 Linux 操作系統(tǒng)的家族脈絡(luò)有了基本的了解。

下期文章，小棗君會重點(diǎn)聊聊 Windows和 macOS那條線。敬請關(guān)注！

本文來自微信公眾號：鮮棗課堂 （ID：xzclasscom），作者：小棗君