聊聊操作系統(tǒng)

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(huì)陌生。我們天天都在接觸操作系統(tǒng)——用臺(tái)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(huì)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(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)間線的角度，對(duì)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(gè)東西，并不是計(jì)算機(jī)誕生時(shí)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(tái)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(shí)，專職操作員將運(yùn)算信息記錄在穿孔卡帶上。系統(tǒng)啟動(dòng)后，讀取卡帶信息，然后進(jìn)行運(yùn)算，最后輸出結(jié)果。

穿孔卡帶

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(shí)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(gè)“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(dòng)依次處理。

這個(gè)“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(shí)，主機(jī)會(huì)等待操作完成，造成自身空閑。再例如，計(jì)算機(jī)只能同時(shí)運(yùn)行一個(gè)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(shí)，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(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)（多個(gè)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(gè)用戶同時(shí)使用。于是，就變成了“多用戶+多任務(wù)”的系統(tǒng)，稱為 “分時(shí)系統(tǒng)” 。

“分時(shí)”和我們通信領(lǐng)域的“時(shí)分復(fù)用”有點(diǎn)像，就是把處理機(jī)的運(yùn)行時(shí)間分成很短的時(shí)間片，按時(shí)間片輪流分配給各個(gè)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(shí)效性更強(qiáng)的 “實(shí)時(shí)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(gè)超級(jí)分時(shí)操作系統(tǒng)的開發(fā)計(jì)劃。

這個(gè)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(shí)，他們打算借助這個(gè)系統(tǒng)，打造一臺(tái)能夠連接1000臺(tái)終端、滿足300人同時(shí)在線的計(jì)算機(jī)。

這個(gè)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(gè)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(gè)游戲了。

于是，他突發(fā)奇想，打算在一臺(tái)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(gè)簡單操作系統(tǒng)，運(yùn)行這個(gè)游戲。

1969年8月，肯·湯普森趁著妻子回家探親，用了1個(gè)月的時(shí)間，使用匯編語言，寫出了一個(gè)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(gè)小的文件系統(tǒng)）。

實(shí)驗(yàn)室的同事們，將這個(gè)系統(tǒng)戲稱為Unics。Uni作為前綴，是“單一、一個(gè)”的意思。Unics，對(duì)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” 。

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(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(shí)，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(jì)算機(jī)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(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颍⒉荒軐?duì)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(shí)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(gè)版本也被Unix玩家們稱為“最后一個(gè)真正的UNIX”。

1980年，美國國防高級(jí)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(jiǎng)。

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(gè)系統(tǒng)，小棗君非常熟悉。當(dāng)年我就是通過Solaris學(xué)會(huì)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(gè)大叔的不滿。這個(gè)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(gè)開源的版本。他還組織成立了FSF（Free Software Foundation，自由軟件基金會(huì)），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(shí)代的意義。他開創(chuàng)了開源軟件的黃金時(shí)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(duì)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)。

安德魯·塔能鮑姆

他將這個(gè)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(tái)，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(duì)它進(jìn)行大規(guī)模推廣。而且，他認(rèn)為這個(gè)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(duì)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(shí)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(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(shí)，選擇了遵循GPL協(xié)議和GNU宗旨，所以，正式發(fā)布時(shí)，命名為“GNU/linux”。

Linux的吉祥物是企鵝（英文名: Tux）

因?yàn)榱旨{斯小時(shí)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(duì)的。由上面的介紹可以看出，Linux是開源自由軟件，而Unix是對(duì)源代碼實(shí)行知識(shí)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(gè)操作系統(tǒng)，而是一個(gè)內(nèi)核。

后來，全球開發(fā)者（開源社區(qū)、企業(yè)、個(gè)人等）對(duì)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(gè)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(gè)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(gè)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(duì)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(gè)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(shí)間。

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(shí)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(jí)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(huì)，我們以后會(huì)講。