GNU/Linux 操作系统简介

本篇将带您了解 GNU/Linux 发行版。

什么是操作系统？

GNU/Linux、UNIX、BSD、Windows 和 MacOS 都是操作系统。

作为资源管理的一部分，操作系统必须：

• 管理 物理 或 虚拟 内存。
  • 物理内存是用于执行程序的内存条和处理器缓存组成。
  • 虚拟内存是硬盘上的一个位置（ swap 分区），它允许在计算机断电期间取下物理内存的情况下，能够保存系统的当前状态。
• 拦截 访问外设。软件很少被允许直接访问硬件（除了用于非常特殊需求的显卡）。
• 为应用程序提供适当的 任务管理。操作系统负责调度进程以充分使用处理机。
• 保护文件 不受未经授权的访问。
• 收集有关正在使用或正在进行的程序信息 。

UNIX - GNU/Linux 概述

历史

下文介绍了 UNIX 到 GNU/Linux 的发展历史。

UNIX

• 20 世纪 60 年代：麻省理工大学希望对当时的兼容分时系统 CTSS (Compatible Time-Sharing System) 进行升级，做出一套面向大众提供服务的信息处理工具，于是找到了著名的硬件公司——美国通用电气公司。

• 1964 年：AT&T 的贝尔实验室加入到由美国麻省理工学院（MIT）和通用电气公司（CE）合作的计划中去，准备联合启动一个叫做 MULTICS (MULTiplexed Information and Computing System，多功能信息和计算服务) 的工程项目，项目目标是开发一个具有多用户（Multi-user）、多任务（Multi-processor）、多层级（Multi-level）的操作系统，以完成对 CTSS 的升级。计划跑在由美国通用电气公司生产的 GE-645 大型机上，目的是连接 1000 部终端设备并支持 300 个用户同时上线。

• 1969 年：经过了几年的开发，MULTICS 因追求的目标过于庞大且复杂、项目进度远远落后于计划（当时并没有现在这种完善的项目管理）、项目资金（1969 年发生金融危机）等等各方面问题，最终导致贝尔实验室宣布退出该项目，但美国麻省理工学院和通用电气则继续开发着 MULTICS。

• 1969 年：当时参与 MULTICS 项目的肯·汤姆森（一名贝尔实验室工程师）在工作期间为跑在大型机 GE-645 上的 MULTICS 编写了一款游戏 —— 「space travel」（星际旅行）。游戏画面为二维画面，由黑色背景以及白色线条组成，玩家需要控制太空船在宇宙中的不同行星和卫星之间着陆，没有特定的目标。

在贝尔实验室退出 MULTICS 后，昂贵的大型机 GE-645 依然被留在实验室。肯·汤姆森将自己的游戏代码转化成了 fortran 语言，以便让游戏可以继续在 GE-645 已有的 GECOS 操作系统上运行。肯·汤姆森和贝尔实验室的其他员工（如拉维·塞西和丹尼斯·里奇）都在该操作系统上游玩着这款游戏。然而，GECOS 采用的是 「交互式批处理」模式，即当几个计算机终端同时连接到中央计算机时，每个终端的程序作业必须以队列的形式提交，这也导致了当 GE-645 为其他终端处理作业时，游戏会出现长时间的暂停；GECOS 要求用户输入命令而不是按下按钮，这导致飞船难以控制；游戏在 GECOS 系统上的表现还不如 MULTICS 系统；在当时，计算机都属于非常昂贵的产品，只有少部分的科研机构、实验室以及高校才拥有，是的，当时采用收费系统来统计计算机的使用情况，这意味着每次游玩该游戏的成本大约在 50~75 美元。

为了解决上面提到的运行效率、游戏控制、游玩成本、大型机 GE-645 被搬走等问题，需要找到更好的办法运行「space travel」。方法之一是找实验室申请购买 DEC PDP-10 大型机，这既能完成自己新操作系统的开发，也能将这款游戏更好的运行，但当时的贝尔实验室刚刚退出 MULTICS 项目，不会再花钱对操作系统的开发感兴趣，肯·汤姆森的申请被驳回。8 月份，肯·汤姆森找到了实验室里一台老旧的、很少使用的、只有 16 KB 内存的 DEC PDP-7 小型计算机，该机器于 1964 年出产，在当时已过去了 5 年，属于过时的设备，但好在其配备了图形终端且拥有出色的图形功能，于是他决定使用 GECOS 系统上的交叉编译器将「space travel」移植到该平台，将生成的机器码写入到打孔纸带中并将其加载到 DEC PDP-7 上。在移植期间，肯·汤姆森没有利用任何已在 DEC PDP-7 上的代码，而是决定重新从头开始写一个新程序，包括浮点库和其他低级工具；肯·汤姆森为 DEC PDP-7 编写了汇编器，来减少繁重的体力劳动；肯·汤姆森根据 丹尼斯·里奇 (Dennis Ritchie) 和 鲁德-卡纳迪 (Rudd Canaday) 的一些黑板想法设计了自己的简单文件系统，以提升游戏的运行速度，这些想法都源自于他们在 MULTICS 文件系统上的经验。在团队合作下（当时有六七个贝尔实验室的工程师参与项目），经过一系列的功能添加与改进后，这套东西变成了一个简单的操作系统——使用汇编语言编写的 UNIX 雏形。于此同时，在丹尼斯·里奇的帮助下，肯·汤姆森使用 DEC PDP-7 上的汇编语言重写了「space travel」游戏并使其在 DEC PDP-7 上正常运行。

团队将 Uniplexed Information and Computing Service 命名为 UNICS，与 MULTICS 相比，UNICS 更加的小且每个部件只限完成一件事并把它做好。

• 1970 年初：面对硬件性能羸弱且过时的 DEC PDP-7，其无法发挥 UNICS 的全部实力，所以当务之急就是换上性能更好的计算机。在当时，肯·汤姆森看上了各个高校以及科研机构最受欢迎的 DEC PDP-10，其性能强悍，肯·汤姆森于是向贝尔实验室申请购买 DEC PDP-10，但因高达 50 w 美元的高昂价格，申请最终被驳回。要想换高性能的计算机，必须首先证明 UNICS 是有用的。

• 1970 年：贝尔实验室是一个巨大的科研机构，每年都会产出大量的专利，专利申请的文档有非常严格的格式要求，现有的计算机系统无法满足要求，贝尔实验室只能通过购买专门的硬件进行处理，但有些格式与功能依旧无法实现。于是开发小组提议购买一台 DEC PDP-11 并在其上面编写专门用来申请专利的程序。 DEC PDP-11 是当时 DEC 公司新推出的计算机，拥有 24 KB 内存以及 512 KB 的磁盘，但价格只有 PDP-10 的十分之一，相对便宜的价格使领导们通过了小组的提议。开发小组利用 UNICS 创造了许多文档编辑工具，不仅提高了专利申请的效率，还帮助自家技术书籍的出版，这也被证明 UNICX 是有用的。同年，UNICS 被改名为 UNIX。

• 1971 年：肯·汤姆森和丹尼斯·里奇把之前在 PDP-7 上使用汇编语言编写的 UNIX 雏形移植到了 DEC PDP-11 上。UNIX V1（UNIX 第一版）诞生，11 月 3 日出版了《Unix 程序员手册》（UNIX Programmer's Manual），将 1970-01-01 定义为 UNIX 起始的纪元日期（参考日期）。

• 1971 年：丹尼斯·里奇开始改进肯·汤姆森的 B 语言。B 语言是一门诞生于 1969 年前后的语言，它是肯·汤姆森在丹尼斯·里奇的支持下被设计出来的。

• 1972 年：改进的 B 语言被称为 C 语言。UNIX V2（UNIX 第二版） 发布。

• 1973 年 10 月：在 IBM 举办的操作系统原理专题研讨会上，肯·汤姆森与丹尼斯·里奇发表了一篇论文并展示了 UNIX，这是 UNIX 操作系统首次正式对外界进行展示。

• 1973 年：C 语言主体完成，这一年，UNIX V4 系统绝大部分都被 C 语言进行重写，这也为后来 UNIX 的可移植性打下了基础（注：早先使用汇编语言编写的 UNIX 特别依赖硬件）。

• 1974 年 7 月：UNIX 发展到第 5 个版本，肯·汤姆森与丹尼斯·里奇合作在 ACM 通信上发表了一篇关于 UNIX 的论文，UNIX 第 5 个版本以「仅用于教育目的」的协议提供给各大高校作为教学使用，成为当时操作系统课程的范例教材。各大学与公司开始通过 UNIX 源码对 UNIX 进行了各种各样的改进和拓展，这也就是我们现在称呼「UNIX 变体」名称的由来。

• 1974 年：美国司法部再次起诉AT&T违法《反垄断法》。

• 1975 年：UNIX 第 6 版发布，这是第一个在贝尔实验室之外被广泛使用的版本。肯·汤姆森从贝尔实验室休假回来，以客座教授来到了自己的毕业大学——加州大学伯克利分校，开始教授操作系统的课程。肯·汤姆森帮助安装了 UNIX 的第 6 版，并开始为该系统实现 Pascal 编程语言。在教授操作系统课程期间，研究生查克·哈利（Chuck Haley）和比尔·乔伊（Bill Joy）帮忙改进了 Pascal 以及文本编辑器。

• 1977 年： 其他大学对伯克利软件（Berkeley Software）感兴趣，于是比尔·乔伊开始编译第一个伯克利软件发行版（the first Berkeley Software Distribution，1 BSD）。

• 1978 年 3 月 9 日：1 BSD 发布，大约发出了 30 多份拷贝。请注意！这里的 1 BSD 并不是一个完整的操作系统，而是以一个 UNIX 的附加组件存在，和 AT&T 的代码交织在一起。

• 1979 年 5 月：2 BSD（the second Berkeley Software Distribution） 发布，大约发出了 75 份的拷贝，包含 1 BSD 软件的更新以及比尔·乔伊开发的两个新程序，这两个新程序依旧被保留在现如今的 UNIX 变体以及各种 GNU/Linux 发行版中—— vi 编辑器和 C Shell 。现如今，人们普遍将 1979 年看做 BSD 诞生的年份。

• 1979 年：UNIX 第 7 版发布，该版本是第一个真正意义上的完整 UNIX 操作系统。

• 1980 年：微软从 AT&T 那里获得授权，准备为英特尔的处理器开发一个全新的操作系统——Xenix，以在个人电脑和微型计算机中使用。

• 1981 年末：AT&T 的 UNIX 系统组（UNIX System Group，USG）发布了 System III，并于次年对外发布商业版。该版本是各种 AT&T UNIX 系统的混合体。之所以称为 System III（不存在称为 System I 或 System II 的 Unix 版本），是因为这是 UNIX/TS 3.0.1 和 CB UNIX 3 的外部版本，而在之前，UNIX/TS 3.0.1 和 CB UNIX 3 只存在于贝尔实验室 UNICS 内部。

• 1982 年：从法庭败诉后的新 AT&T 意识到 UNIX 的商业价值，于是开始停止提供 UNIX 的源代码，发布商业版的 UNIX System III，收取高昂的授权费。同时，不再授权高校可以使用免费 UNIX。此时的 UNIX 发展成了两条线路——AT&T 的官方 UNIX 商业版以及 BSD 版。

• 20 世纪 80 年代中期：为了让程序可以在不同的「UNIX 变体」都能运行，需要统一操作系统接口 API。1988 年，IEEE（美国电气电子工程师学会）将这些标准汇总为 POSIX（Portable Operating System Interface），正式成为行业规范。

UNIX 是一种开放且不断发展的操作系统，在计算机的历史上发挥了重要作用。它已成为许多其他系统的基础，如 GNU/Linux、BSD、Mac OSX 等。直到今天，它仍然很重要。

GNU 计划

• 1971 年：理查德·马修·斯托曼（Richard Mathew Stallman）开启了他在 MIT 的职业生涯，工作在一个专门使用自由软件的工作小组。在当时，不仅计算机公司经常发布自由软件，而且程序员之间也经常自由相互地合作（如果你对别人的代码感兴趣但不太熟悉，你总是可以得到一份源代码，你可以自由的阅读源代码、修改源代码乃至把代码拆分并用来构建新程序）

• 1983 年：理查德·马修·斯托曼发起了 GNU（GNU's Not Unix） 计划并成立自由软件基金会。GNU 计划的目的在于建立一个自由的、开放的 Unix 系统，其中比较重要的工具有：gcc 编译器、bash shell、Emacs 编辑器等。

• 1990 年：我们找到或写出了一个类似 UNIX 操作系统所需的所有主要组件，但唯独缺少一成熟的、自由的内核。

• 1991 年-1992 年：1991 年，林纳斯·托瓦兹在 1991 年开发了一个类似 UNIX 的 Linux 内核，并在 1992 年将其变成自由软件。将 GNU 的组件与 Linux 内核结合，就形成了一个完整的操作系统——GNU/Linux 系统（也称 GNU/Linux 发行版）。

GNU 计划不仅是开源事业的基石，其特有的 GPL 开源许可证协议 也帮助了开源软件的发展，今天我们熟知的 RHEL 就采用了该开源许可证协议。

MINIX

• 1987：由前面可知，1982 年，AT&T 的 UNIX 就化身成了商业版，不仅需要付费购买，而且不允许自由传播以及复制。受 BSD 的影响，民间高手纷纷写出自己的类 UNIX。出于教授操作系统课程的教学目的，荷兰大学的一位教授 Andrew S. Tanenbaum 开发出了 MINIX（一种简化版的 UNIX，参考了当时 UNIX 的第 7 个版本），学生可以阅读并完全获取该操作系统的源代码。现如今，你依旧可以下载到最新版本的 MINIX —— http://www.minix3.org/

Linux

• 1991 年：一名芬兰赫尔辛基大学的大学生林纳斯·托瓦兹（Linus Torvalds），专业为计算机，当时学习的操作系统是 MINIX。后来，Linus 和一些爱好者，以 MINIX 为模板，利用 bash、gcc 等工具，结合自己的补丁和其他人的补丁，写出了第一版本的 Linux 内核（符合 POSIX 标准），同时放到网上供人们下载、学习、改进等。9 月，Linux 内核版本 0.01 在芬兰大学和研究网络（FUNET）的 FTP 服务器（ftp. Funet. Fi）上发布，它有 10239 行代码。10 月，0.02 版本的内核发布了。12 月，0.11 版本的内核发布。

• 1992 年 2 月：发布 0.12 版本并采用了 GNU 通用公共许可证（GPL），而在此之前的版本是不允许商业再分发的。
• 1994 年 3 月 14 日：Linux 内核 1.0.0 版本发布。

把 Linus 叫做 Linux 之父其实并不准确，确切的说法是 Linus 对 Linux 内核的贡献度最大。

• 1993: 创建 Debian 发行版。 Debian 是一个基于社区的非商业发行版。最初是为了在服务器上使用而开发的，其非常适合这一角色；然而，它是一个通用的系统，所以也可以在个人计算机上使用。 Debian 是许多其他发行版的基础，比如 Mint 或 Ubuntu 。

• 1994：商业发行版 Red Hat 是由 Red Hat 公司创建的，该公司现在是 GNU/Linux 操作系统的领先经销商。Red Hat 公司支持社区版 Fedora 以及最近的免费发行版 CentOS。

• 1997：创建 KDE 桌面环境。它基于 Qt 组件库和 C++ 开发语言。

• 1999：创建 GNOME 桌面环境。它基于 GTK+ 组件库。

• 2002：创建 Arch 发行版。它的独特之处在于它提供滚动发布（持续更新）。

• 2004：Canonical 公司（Mark Shuttleworth）创建 Ubuntu。它基于 Debian，但包括自由和专有软件。

• 2021：基于 Red Hat 发行版创建 Rocky Linux。

架构设计

• kernel 是首要的软件组件。

  • 它是 GNU/Linux 系统的核心。
  • 它管理系统的硬件资源。
  • 其他软件组件必须通过它才能访问硬件。

• shell 是一个解释并执行用户命令的工具。

  • 主要的 shell：Bourne shell、C shell、Korn shell 和 Bourne-Again shell (bash)。

• Applications 是用户程序，包括但不限于：

  • 互联网浏览器
  • 文字处理程序
  • 电子表格

多任务

GNU/Linux 属于分时操作系统家族。它在几个程序之间分配处理时间，以对用户透明的方式从一个程序切换到另一个程序。这意味着：

• 同时执行多个程序。
• 调度程序分配 CPU 时间。
• 减少由失败的应用程序导致的问题。
• 在程序运行过多的情况下降低性能。

多用户

MULTICS 的目的是允许多个用户在一台计算机上（当时非常昂贵）通过多个终端（屏幕和键盘）工作。受这种操作系统的启发，GNU/Linux 保留了这种同时让多用户一起独立工作的能力，每个用户都有自己的用户帐户、内存空间以及对文件和软件的访问权限。

多处理器

GNU/Linux 能够在多处理器计算机或多核处理器上工作。

多平台

GNU/Linux 是用高级语言编写的，在编译过程中可以适应不同类型的平台。这允许它运行在：

• 家用电脑（个人电脑或笔记本电脑）
• 服务器（数据、应用程序）
• 便携式电脑（智能手机或平板电脑）
• 嵌入式系统（车载电脑）
• 有源网络元件（路由器、交换机）
• 家用电器（电视、冰箱）

开放

GNU/Linux 基于 POSIX、TCP/IP、NFS 和 Samba 等公认的标准，这些标准允许 GNU/Linux 与其他应用程序系统共享数据和服务。

UNIX/Linux 哲学

• 一切皆文件。
• 重视移植性。
• 做一件事且把它做好。
• KISS 原则：保持简单化和傻瓜化。
• "UNIX 基本上是一个简单的操作系统，但你必须是一个天才才能理解它的简单性。" (Dennis Ritchie)
• "UNIX 对用户是友好的，只不过他在对哪个用户友好的问题上，用情比较专一而已。" (Steven King)

桌面环境

有许多图形环境，如 GNOME、KDE、LXDE、XFCE、Unity、Mate、Cinnamon 等。每个桌面环境都有自己的东西，它们的人机交互设计可与微软或苹果系统相媲美。

自由/开源

Microsoft 或 Mac 操作系统的用户必须购买许可证才能使用其操作系统。尽管许可证通常是透明的（许可证的价格包含在电脑的价格中），但它是有成本的。

在GNU/Linux世界中，自由软件运动提供了大部分的自由发行版。

自由 并不意味着免费！

开源：可获取源代码，因此可以在特定条件下查阅和修改它。

自由软件必然是开源的，但反之则不然，因为开源软件与 GPL 开源许可所提供的自由是分开的。

GNU GPL (GNU 通用公共许可证)

GPL 保证软件的作者拥有其知识产权，但允许第三方修改、再分发或转售软件，前提是软件需要包含源代码。 GPL 是来自 GNU（GNU is Not UNIX）项目的许可证，该项目在创建 Linux 时起到了重要作用。

这暗示着使用者可以：

• 有出于任何目运行程序的自由。
• 研究程序如何工作并根据需要进行调整的自由。
• 重新分发副本的自由。
• 为了整个社区的利益，有改进且发布这些改进的自由。

另一方面，即使是在 GPL 许可下的产品也可以有付费。但这并不是为产品本身付费，而是 保证开发团队将继续致力于该产品，以使其发展和排除错误，甚至为用户提供支持 。

使用领域

GNU/Linux 发行版在以下方面表现出色：

• 服务器：HTTP、电子邮件、群件、文件共享等。
• 安全：网关、防火墙、路由器、代理等。
• 中央计算机：银行、保险、工业等。
• 嵌入式系统：路由器、网络盒子、智能电视等。

简而言之，GNU/Linux 几乎可以做任何事情，这也就解释了特定发行版的数量。

Shell

概述

shell 称为 命令接口，允许用户向操作系统发送命令。由于图形界面的实现，它在如今已经不是那么明显了，但在 GNU/Linux 系统上仍然是一种特权手段，GNU/Linux 系统并非都具有图形界面，并且其服务并不总是存在设置界面。

它提供了一种真正的编程语言，包括经典结构（循环、选择）以及常见组成部分（变量、参数传递和子程序）。它允许创建脚本以自动执行某些操作（如备份、创建用户、系统监控等）。

根据用户的喜好，平台上有几种类型的 shell 可供使用和配置： 以下是一些例子：

• sh，POSIX 标准 shell
• csh，C 语言中面向命令的 shell
• bash，Bourne-Again Shell，Linux shell
• zsh
• ps, PowerShell
• tcsh

功能

• 命令执行（检查给定的命令并执行它）。
• 输入/输出重定向（将数据返回到文件而不是将其打印在屏幕上）。
• 连接过程（管理用户的连接）。
• 解释型编程语言（允许创建脚本）。
• 环境变量（在操作期间访问系统特定的信息）。

参考资料

• CTSS --- https://en.wikipedia.org/wiki/Compatible_Time-Sharing_System
• UNIX --- https://en.wikipedia.org/wiki/Unix
• Linux kernel --- https://en.wikipedia.org/wiki/Linux_kernel
• space travel --- https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Travel_(video_game)
• The Open Group --- https://unix.org/what_is_unix/history_timeline.html
• about RockyLinux --- https://rockylinux.org/about
• RockyLinux docs --- https://docs.rockylinux.org/zh/books/admin_guide/01-presentation/
• GNU history --- https://www.gnu.org/gnu/gnu-history.en.html

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