今天這篇文章，我們來聊聊操作系統（Operating System）。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，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。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難度。比如說，我開發一個視頻播放器，就不需要寫那些底層硬件代碼。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）。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。
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，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進行分類，把一批作業編成一個“作業執行序列”。每一批作業，都由專門編制的監督程序（monitor）自動依次處理。這個“監督程序”，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。例如，當作業進行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，開始允許系統執行“掛起”操作。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使用。再后來，技術又繼續演進。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。
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玩這個游戲了。于是，他突發奇想，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。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，授權企業使用Unix第6版。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（伯克利軟件發行版）。1978年，SCO（一家服務器系統軟件供應商）包裝發行了商用版的Unix。目前公認的最完美版本，是1979年發行的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發布新的使用條款，將Unix源代碼私有化。Unix開始走向了商業閉源之路。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許可協議下發布，由來自世界各地的志愿者開發和維護，允許任何人隨意使用和發行（在保留版權和許可協議信息的前提下）。詳細的Unix閉源分支我就不多說了，發一張圖，大家可以參考：Unix開始收費和商業閉源之后，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。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。開發出MINIX之后，塔能鮑姆教授并沒有對它進行大規模推廣。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。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當做開發環境，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）。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。他在發布時，選擇了遵循GPL協議和GNU宗旨，所以，正式發布時，命名為“GNU/linux”。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？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。大家注意，林納斯1991年開發的，并不是一個操作系統，而是一個內核。后來，全球開發者（開源社區、企業、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操作系統發行版，也就是真正的操作系統。這些發行版分為社區版和商業版。社區版數量較多，開發和維護的主體是開源社區。商業版數量較少，是在社區版的基礎上進一步優化而來。值得一提的是，發行版之間也有復雜的衍生關系。也就是說，發行版可以構建在另一個發行版之上。一些大家可能比較熟悉的發行版，包括：Ubuntu、Debian、Centos、Fedora、 Redhat Linux、Slackware、Turbolinux、Mandrake、SUSE、紅旗、麒麟等。
Slackware和Debian是最早期的兩個發行版，創建于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。它的主要發行版是Red Hat Enterprise Linux（RHEL），針對企業客戶。CentOS是RHEL源代碼再編譯的產物，修正了不少Bug，穩定性更強。除了RHEL之外，Redhat還向社區提供另一個免費發行版，即Fedora。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，紅帽公司宣布陸續停止維護CentOS，后續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。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！
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