Linux怎么来的?这篇文章讲清楚其前世今生

2019年8月2日11:45:38 发表评论 66 views

作者:伟哥-Wayne

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1.1 随便先说下

Linux 内核非常庞大,我说的非常大并不是为了吓唬大家,确实是非常多的代码,超过 600 万行的代码,所以我写文章介绍 Linux 内核,也不可能每一行代码去分析,但是我会提炼其中的重点出来,告诉大家,Linux 内核的构成,包含哪些东西,我们不管学习什么,最关键的是学会其中的思想,但是我们如果什么都还不会的时候,可以学着由表透里,就像我打篮球一直不会后仰跳投,但是我可以把科比的研究一遍又一遍,总有一天我也能听到自己打铁的哐哐声。

但是我希望我的文字略带微笑着去面对这些代码,去面对 Linux 森林,然后你从这个森林走出来后,可以明白森林里的有哪些路,你下一次想带个妹子进去约会,可以找到属于自己的旮旯。

虽然 Linux 内核非常庞大,但是横向对比计算机的发展史, Linux 的历史非常的简短,计算机出现的时候,还没有什么花里胡哨的包装,都是光着身子跑,用技术的语言说就是它只能执行一个任务,执行一个进程,也可以叫“裸跑”,学习计算机的同学应该很快明白什么是裸机程序,裸机程序只可以让一个进程使用硬件资源,这无形上对硬件资源的浪费。

可以拿我们的手机来比喻,裸机的话,我们玩王者荣耀的时候,有人打电话进来的话,王者荣耀是要被终止的,后来就有了操作系统,操作系统可以保证多任务执行,同样的 CPU 芯片,有了操作系统,我可以开微信,QQ ,还同时做其他很多事情。

所以就出来了很多操作系统,操作系统我认为可以分为实时操作系统和通用操作系统,实时操作(RTOS 全称Real Time Operating System)系统可以理解为对时间要求非常苛刻,可以用一个词“必须”来理解,就是在某个时间片之内必须要做某件事情。

而通用操作系统,我们可以很常见,比如电脑 windows,Android 手机等,Linux 也可以认识是通用 OS,因为他们对时间上要求不是很严苛。

Linux 可以通过配置某个宏定义变成实时操作系统,但是我们使用 Linux 主要是针对他的通用 OS,多用户,多任务等特别突出的性能。

世界上的嵌入式操作系统数不胜数,我有一个很厉害的师弟,前几年也参与了一个国内嵌入式操作系统的开发,当然了,他们是以盈利为目的了,还有我认识的周立功先生,他们公司也研发了一个嵌入式操作系统,但是对于我们开发者来说,做项目的时候,选择适合自己项目的系统就好了,对于学习来说,我认为,应该学习最先进的操作系统,这样才能让自己的技术有更大的先进性。

VxWorks

VxWorks 是美国 WindRiver 公司的产品,市场占有率比较高的嵌入式操作系统。VxWorks 实时操作系统由 400 多个相对独立、短小精悍的目标模块组成,用户可根据需要选择适当的模块来裁剪和配置系统,具有优先级的任务调度、任务间同步与通信、中断处理、定时器和内存管理等功能,符合 POSIX (可移植操作系统接口)规范的内存管理,多处理器控制程序,并且具有简明易懂的用户接口,在核心方面甚至町以微缩到 8 KB。

这个操作系统不敢吹太多,可以自己去了解下,因为稳定性太好了,应用到了航空,卫星,军事等各个领域,实用性非常强,所以很多培训机构也针对这个操作系统开了培训课程。

μC/OS-II

μC/OS-II是在μC-OS的基础上发展起来的,是美国嵌入式系统专家 Jean J.Labrosse 用 C 语言编写的一个结构小巧、支持抢占式的多任务实时内核。μC/OS-II 能管理 64 个任务,并提供任务调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能,具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。

μClinux

μClinux 是一种优秀的嵌入式 Linux 版本,其全称为 micro-control Linux,从字面意思看是指微控制 Linux。同标准的 Linux 相比,μClinux 的内核非常小,但是它仍然继承了 Linux 操作系统的主要特性,包括良好的稳定性和移植性、强大的网络功能、出色的文件系统支持、标准丰富的 API,以及 TCP/IP 网络协议等。因为没有 MMU 内存管理单元,所以其多任务的实现需要一定技巧。

eCos

eCos(embedded Configurable operating system),即嵌入式可配置操作系统。它是一个源代码开放的可配置、可移植、面向深度嵌入式应用的实时操作系统。最大特点是配置灵活,采用模块化设计,核心部分由小同的组件构成,包括内核、C 语言库和底层运行包等。每个组件可提供大量的配置选项(实时内核也可作为可选配置),使用 eCos 提供的配置工具可以很方便地配置,并通过不同的配置使得 eCos 能够满足不同的嵌入式应用要求。

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内核的工作

我们使用的计算机大家都知道是操作系统,那内核是什么呢?那我们先简单说说操作系统,操作系统是面向用户的,计算机用户可以使用计算机操作系统来工作,聊天,玩游戏,我们使用的这些东西都是应用软件,对应用程序来说,内核就是它的操作系统,这个系统可以为应用程序工作,管理应用程序。

内核还有一个比较重要的工作,就是管理应用,为应用程序准备好运行内存,管理应用程序的执行,让应用程序通行无阻,当然了,这个是理想的情况,不理想的情况就是导致内存或者资源不够用的情况,应用出现崩溃等异常。

除了管理应用以外,内核还需要管理硬件设备,Linux 内核下面有非常多的设备驱动代码,如果一个内核开发工程师说他不懂设备驱动,那简直就是一个笑话,内核跟 CPU 和硬件设备关系非常密切,在整个操作系统中的地位,具有承上启下的作用。

1.2 UNIX 的诞生

生日:UNIX 在 1969 年出生。

他的父亲和母亲:是 Dennis Ritchie 和 Ken Thompson 两个人擦出了灵感的火花创造出来的。

出生户籍地址:贝尔实验室

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贝尔实验室图片

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贝尔实验室的logo

出生具体流程:

1965 年,贝尔实验室要做一个项目,这个项目叫PDP-7计算机计划,发起人是通用电气和麻省理工学院,他们给这个操作系统起了一个漂亮的名字叫做「MULTICS 操作系统」("Multiplexed Information and Computing Service"的缩写)。做事情总是有个计划,他们给这个操作系统给出的计划是,这个操作系统可以多个人使用,按照我们现在的人来说就是多用户系统,多任务,多层次等等。

到了1969 年,发起人觉得这个进度太慢了,本来想早点制造出来我们好用来玩电脑游戏的,结果你们这几个科学家整了这么久还是没整出来,那只好停掉了,停掉了投资方就不再提供后备的资源了,留下的东西就自己瞎整吧,投资方也不管了。

计划被停下来了,当时,Ken Thompson 在调试一个程序,这个程序名字叫做 “星级旅游”,这个程序运行在一个叫做 GE-635 的机器上面,但是因为这个机器的硬件设备比较落后,运行速度非常慢,这让Ken Thompson感觉非常不爽,然后他发现之前做「PDP-7计算机计划」项目的时候还有一台PDP-7计算机,这个计算机就是图片下面的那个计算机,当时应该没有人想到计算机可以做到这么小,然后他们就把 GE-635 程序移植到 PDP-7 计算机上面。

到了1970年,PDP-7 可以运行 GE-635程序了,但是却只能支持两个用户,当时 Brian Kernighan 就开玩笑的称他们的系统是 “UNiplexed Information and Computing Service”,这个缩写就是 UNICS,再后来,大家就取谐音,称为 UNIX。所以1970 年可以称为 UNIX元年。

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汤姆逊和丹尼斯里奇

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PDP-7计算机

1.3 BSD操作系统

伯克利软件套件(英语:Berkeley Software Distribution,缩写为 BSD ),也被称为伯克利UNIX(Berkeley UNIX),是一个操作系统的名称。衍生于UNIX(类UNIX),1970年代由伯克利加州大学的学生比尔·乔伊(Bill Joy)开创,也被用来代表其衍生出的各种套件。

BSD 常被当作工作站级别的 UNIX 系统,这得归功于 BSD 用户许可证非常地宽松,许多 1980 年代成立的计算机公司,不少都从 BSD 中获益,比较著名的例子如 DEC 的 Ultrix,以及 Sun 公司的 SunOS。1990 年代,BSD 很大程度上被 System V 4.x 版以及 OSF/1 系统所取代,但其开源版本被采用,促进了因特网的开发。

BSD 比 Linux 早出现,稳定性和安全性都在 Linux 之上,甚至 Windows 和 OS X 都有来自 BSD 的代码,但是现在一提到开源自由软件,人们首先想到的是Linux,而不是资格更老的BSD。

UNIX创始人之一的 Ken Thompson 曾如此评价 Linux,「Linux不过是反微软思潮下的产物」,这个家伙觉得 Linux 不可能有多大的成就,非常自信的觉得 BSD 在任何时候都可以击败 Linux,甚至觉得Linux 是一个低端和下流的操作系统内核。

但是事实证明,Linux 赢得了这场战争,有实力,也有些运气,Linux 在发展的时候,BSD 当时正被官司缠上,没有多余的心思应战 Linux,而BSD腹背受敌的原因很明显是因为他们的商业化,而Linux正是因为开源而更受全世界开发者的青睐。

一个事情的成功,90% 是由他的领导者决定的,就好像一个球队能走多远,队长和教练可以决定它的深度,Linux 也一样,Linus Torvalds 是位杰出的领袖人物,他成功的让一群性格迥异的、绝非泛泛之辈的黑客共同合作开发,而没有如其他开源项目一般分崩离弃。

还有一点,Linux 的硬件支持比 BSD 好,这在各种终端设备上来说简直就是一种惊喜,随着PC不断被边缘化,移动端的产品急需找到一款适合他们的操作系统,Linux 是最好不过的人选了。

GNU 的大力支持,GNU 的许可证与 BSD 不兼容,因此 Linux 的出现让两者完美结合,所以现在Linux 全名叫 GNU/Linux。

BSD 走的是教堂式的学院派路线,而 Linux 则是代表了市集式的骇客精神,BSD很自信,觉得自己是贵族出生,应该享受这世界上的荣华富贵,而Linux再一次验证了农村包围城市的必然性,成王败寇,功败垂成。

BSD原本就有极佳的根基,缺乏的可能是一点运气,未来或许大有可为。

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(点击查看大图)

1.4 GNU计划的产生

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理查·斯托曼

因为 UNIX 操作系统的商业化,原来的 UNXI 系统已经不能再被随意的使用,很多人都希望能有一款免费好用的操作系统,因为并不是每个人都很有钱,也不是每个人都有能力自己去写操作系统,此时,理查·斯托曼在麻省理工学院人工智能实验室发起 GNU 计划,希望发展出一套完整的开放源代码操作系统来取代 UNIX,计划中的操作系统,名为 GNU。

1983年9月27日,理查·斯托曼在 net.UNIX-wizards 和 net.usoft 新闻组中公布这项计划。在此项计划中,开发出了很多我们现在熟悉的常用的工具,包括GNU编译器套装(GCC)、GNU的C库(glibc)、以及 GNU 核心工具组(coreutils)。另外也是 GNU 除错器(GDB)、GNU 二进制实用程序(binutils)的 GNU Cash shell中 和 GNOME 桌面环境。

当然,GNU计划的目的还是开发出一款自由传播的操作系统,这个操作系统的名字叫 Hurd,但是由于对操作系统的要求过高,以至于 Hurd 一直处于测试阶段,本意是一个好事情,但是能力有限啊,开发的东西老是出bug,再好的创意那也是徒劳了。

不过 Linus 大神通过 GNU 发布了自己的 Linux 系统后,就火起来了,真的就一发不可收拾,这也是为什么 GNU 和 Linux 关系密切的原因。

1.5 UNIX 衍生系统发展图

用文字来描述事实总是感觉有点欠缺,就好像两个人发生争执,可以通过吵嘴解决问题,也可以通过大家解决问题,但是我认为打架应该是最直接的,你说得再多也没有枪杆子来得实在。

本书的重心主要放在 Linux 上,可以观察 Linux 的发展轨迹,还是非常给力的,当然了,BSD 目前来说市场占有率不能跟 Linux 相提并论,但是他在整个 UNIX 上也有有着自己的一席之地的。

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1.6 Linux的导火索MINIX

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MINIX启动界面

在 UNIX 产生后,版权在 AT&T 手里,在 Version 7 UNIX 发布之后,发布新的授权条款,将UNIX 源码私有化,在大学不得再使用 UNIX 源码,荷兰阿姆斯特丹自由大学计算机科学系的塔能鲍姆教授(Andrew Stuart "Andy" Tanenbaum)为了教学,自己写了一个类 UNIX 的小系统,命名为 MINIX(意为mini-UNIX)。

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永远不要小看任何一个人,如果这个人能够编写出自己的教学操作系统,你更加不要随便惹他,你可能不可以,但是下面的这个家伙是可以的,大家可能都不知道什么是“宏内核”和“微内核”,但是这个家伙和 Linus 的辩论轰动一时,不管怎么说,Linux 应该是现在的胜利者,最直接的原因是开源,让更多的开发者可以使用 Linux 内核移植到自己的设备上,包括 ARM 设备。

但是我们也不能抹杀 ast 的作用,在计算机系统的贡献上,和教学的贡献上,肯定是具有一席之地的,作为本文的撰写者,他们都是我们的始祖,技术无国界,请收下我的膝盖。

1.7 Linux 的出生

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林纳斯 托瓦兹(Linus Torvalds)

我们的主角人物,林纳斯 托瓦兹(Linus Torvalds)1991年,林纳斯·托瓦兹在赫尔辛基大学上学时,对操作系统很好奇。由于但是 386BSD 还没有出来。可是他不喜欢他的 386 电脑上的 MS-DOS 操作系统,所以就安装了 Minix,可对 Minix 只允许在教育上使用很不满(在当时 Minix 不允许被用作任何商业使用),于是他便开始写他自己的操作系统。

Linux 的第一个版本在 1991 年 9 月被大学 FTP server 管理员 Ari Lemmke 发布在 Internet上,最初 Torvalds 称这个内核的名称为 「Freax」,意思是自由「free」和奇异「freak」的结合字,并且附上「X」这个常用的字母,以配合所谓的类 UNIX 的系统。但是 FTP 服务器管理员嫌原来的命名「Freax」的名称不好听,把内核的称呼改成「Linux」,当时仅有 10000 行代码,仍必须运行于Minix操作系统之上,而且必须使用硬盘开机,随后在10月份第二个版本(0.02版)发布,同时这位芬兰赫尔辛基的大学生在 comp.os.minix 上发布这样一则公告

Hello everybody out there using minix- I'm doing a (free) operation system (just a hobby, won't be big and professional like gnu) for 386(486) AT clones.

1994 年 3 月,Linux1.0 版正式发布。为了让 Linux 可以在商业上使用,林纳斯·托瓦兹决定更改他原来的协议(这个协议会限制商业使用),以 GNU GPL 协议来代替。之后许多开发者致力融合 GNU 元素到 Linux 中,做出一个有完整功能的、自由的操作系统。

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80386 的芯片

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80386的电脑

如果单凭林纳斯一个人的力量,Linux 不可能发展到这个程度,我认为在那个时候,他做了一个非常正确的决定,就是「开源」,让世界上更多的优秀程序员加入到他的事业当中,为了让更多的人同步开发,林纳斯还写了 GIT ,这个让很多协作开发者为之兴奋的工具。

1.8 Linux的标志物

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Linux 的标志和吉祥物是一只名字叫做 Tux 的企鹅,标志的由来是因为 Linus 在澳洲时曾被一只动物园里的企鹅咬了一口,便选择企鹅作为 Linux的标志。更容易被接受的说法是:企鹅代表南极,而南极又是全世界所共有的一块陆地。这也就代表 Linux 是所有人的 Linux。

曾经有一个笑话说林纳斯被企鹅咬了之后,因为咬过的伤口会发炎,发炎的时候伤口会有点疼,晚上写代码想打瞌睡,但是就是因为这个炎症的疼痛感刺激着自己,当然了,这个只是个传说,传说是否是真的,哪天大神心情好了可能会揭晓答案。

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1.9 Linux的现状

今天在 Linus Torvalds 带领下,众多开发共同参与开发和维护 Linux 内核。理查德·斯托曼领导的自由软件基金会,继续提供大量支持 Linux 内核的 GNU 组件。一些个人和企业开发的第三方的非 GNU 组件也提供对 Linux 内核的支持,这些第三方组件包括大量的作品,有内核模块和用户应用程序和库等内容。Linux 社区或企业都推出一些重要的 Linux发行版,包括 Linux内核、GNU组件、非GNU组件,以及其他形式的的软件包管理系统软件。

目前这个阶段,可以说每个人都脱离不开 Linux,好吧,肯定有人跑出来抬杠,我就问你,你手机底层是 Linux 内核你可知道,你说你用的是塞班手机,那里购物的云平台,淘宝,亚马逊等都是用 Linux 开发维护的,好吧你说你是个老板,买东西都是别人给你买的,那么你炒股吧,很多股票平台都是基于 Linux 开发维护的。

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1.10 为什么学习Linux

Linux 内核现在覆盖的领域非常广,手机、平板、路由器等等,就大家非常喜欢的苹果操作系统,底层内核也是有 Linux的影子,Linux 的普及毋庸置疑,学习 Linux 应该作为每个技术人员的标配。

刚开始参加工作的时候,很多面试官都问我,你对 Linux 是不是非常懂,我每次都回答,我对 Linux 也是刚刚入门,但是我非常喜欢Linux ,而且我也会持续在 Linux 上面做研究,学习,我也喜欢和这些 Linux 爱好者一起探讨问题。

学习完 Linux 内核你会对整个计算机体系有一个更深刻的认知,作为一个开发者,不管你从事的是驱动开发,应用开发,还是后台开发,你都需要理解计算机操作系统和内核的运行机制,才可能更好的编写你的代码,出现更少的错误。

作为开发人员,不应该只局限在自己的小领域,因为你设计的模块,看起来非常小,但是你不了解进程的调用机制,不知道进程会阻塞,就绪,执行几个状态,你怎么可能编写好一个低容错率的代码呢?

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