聊聊操作系統(tǒng)是什么 Linux和Unix的關(guān)系

今天這篇文章，我們來聊聊操作系統(tǒng)（Operating System）。 ? 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)——用臺式機或筆記本電腦，使用的是windows和macOS系統(tǒng)；用手機、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，操作系統(tǒng)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(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(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序等）管理和連通起來，并進行資源調(diào)配，完成用戶下達的任務(wù)。 ?

? 操作系統(tǒng)包攬了很多底層的復雜工作，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)，就能更好地管理計算機，進行人機交互（下達命令，查詢結(jié)果和狀態(tài)）。 ? 新手學習操作系統(tǒng)，最麻煩的是認名字和認類別。接下來，我們就從時間線的角度，對所有的操作系統(tǒng)關(guān)系進行一下梳理。 ?

? █?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(xiàn)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(tǒng)啟動后，讀取卡帶信息，然后進行運算，最后輸出結(jié)果。 ?

?

穿孔卡帶 ? 計算機的速度快，人的速度慢。所以，計算機經(jīng)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(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，是第二代通用計算機，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(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，計算機系統(tǒng)從串行變成了并行，可以同時運行多個任務(wù)（多個程序放入內(nèi)存，交替在CPU中運行，共享硬軟件資源）。 ? 多道程序系統(tǒng)大幅提升了計算機的工作效率。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(shù)又繼續(xù)演進。終于，我們有了時效性更強的“實時操作系統(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(tǒng)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(tǒng)）”的意思。 ? 當時，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(guān)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(chǎn)的一種小型計算機，性能很低）上，開發(fā)一個簡單操作系統(tǒng)，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(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)）。 ? 實驗室的同事們，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“單路信息與計算系統(tǒng)”的意思。 ? 后來，大家又取其諧音，直接稱其為“Unix”。 ?

?

一邊工作一邊下棋的肯·湯普森 ? 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(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。 ?

?

正在操作DEC PDP-11計算機的 肯·湯普森（坐者）和丹尼斯.里奇（站者） ? 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(tǒng)第5版，并授權(quán)給教育機構(gòu)使用。1975年，他們第一次以2萬美元的價格，授權(quán)企業(yè)使用Unix第6版。 ? 這期間，很多企業(yè)和機構(gòu)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(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(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)，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，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）。 ?

?

理查德·馬修·斯托曼 ? 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）。 ?

?

GNU著名的牛頭logo ? 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90年代初，GNU項目已經(jīng)開發(fā)出許多高質(zhì)量的免費軟件，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(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)。 ?

?

安德魯·塔能鮑姆 ? 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。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(tǒng)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(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求學的林納斯·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(nèi)核（Linux kernel）。 ? 此時的林納斯，只有21歲！ ?

?

林納斯·托瓦茲 ? 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）標準，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”。 ?

?

Linux的吉祥物是企鵝（英文名: Tux） 因為林納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是對源代碼實行知識產(chǎn)權(quán)保護的傳統(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？ ? 嚴格來說，也不是。 ? 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(quán)和標準認定權(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)核代碼進行大量的修改和補充，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(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。 ?

?

? 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(guān)系和發(fā)布時間，如下圖所示： ?

? 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(chǎn)操作系統(tǒng)帶來了機會。 ? ?

█?最后 ? 現(xiàn)在，大家應(yīng)該對操作系統(tǒng)的誕生和發(fā)展有了基本的了解，也對Unix和Linux操作系統(tǒng)的家族脈絡(luò)也有了更清晰的認識。 ? ? 今天的文章，就到這里，希望對大家有所幫助。 ? ?

編輯：黃飛

?