南京大学 操作系统 (JYY) 学习笔记：从 UNIX 到 Linux 与庞大的应用生态

写在前面：这是本系列的第十二篇。

我们已经了解了一个典型的操作系统给应用程序提供的“一切”：从操作系统为应用程序提供的对象和 API，到可执行文件的链接和加载。操作系统在底层实现了管理硬件资源的极致机制，这是狭义“操作系统”负责的功能。

本讲内容：一个真实的“操作系统”，究竟是如何使用这些底层的对象和 API，一步步构建出今天如此丰富繁荣的应用生态的？在这个过程中，又有哪些不可思议的实用工具起到了决定性的作用？

课前反思：操作系统的对象

回顾：操作系统的对象

• 进程：进程 = 状态机。进程管理 API:fork,execve,exit。
• 连续的内存段：可以被看作一个能在进程间共享、或映射到文件的对象。内存管理 API:mmap,munmap,mprotect,msync。

从 UNIX 到 Linux 的历史回眸

Evolution of the UNIX Time Sharing System

• 最早的 UNIX 版本甚至没有fork！
  1. Shell 首先关闭所有打开的文件，然后为 0, 1 fd 打开终端文件（当时的系统是单进程的，根本不支持多进程）。
  2. 从终端读取命令行。
  3. 打开文件，把加载器代码复制到内存并执行 (相当于后来的exec)。当时还没有fork()这个概念。
  4. exit会重新把 shell 加载回内存。

Takeaway message: 不要害怕“不好”，大胆去做，并且持续改进！

• 先做一堆“垃圾”出来。
• 你见过的所有伟大系统，一开始都只是几个大学生、几个好朋友在车库里组队搞出来的破烂代码……
• 但只要方向对了，最后就成功了。从零开始做，比什么都重要。早期版本的操作系统其实和我们的 MiniLab 极其相似。

Minix：年轻人的第一个操作系统

• Minix1 (1987):UNIX v7 兼容。它是 Linus 后来实现 Linux 的起点。同时兼容 16-bit 和 32-bit，向世界真实展示了 16-bit 编程。
• Minix2 (1997):POSIX 兼容。作为微内核教学系统，源代码很简单，甚至可以直接印在书的附录里随书附赠。这时候它已经能实现现代 OS 的常用功能了。(Tips：Minix 是 32 位的，意味着sizeof(int) == 2在某些老编译器下的历史包袱)
• Minix3 (2006):POSIX/NetBSD 兼容。甚至一度是世界上应用最广的操作系统（因为被 Intel ME 偷偷内置在无数主板底层里）。

August, 1991: The Birthday of Linux

“Hello, everybody out there using minix – I’m doing a (free) operating system (just a hobby, won’t be big and professional like gnu) for 386(486) AT clones. This has been brewing since April, and is starting to get ready.”

—— Linus Torvalds (时年 21 岁)

• 这封邮件类似于在说：“我写了个加强版的 OSLab，现在发到贴吧（comp.os.minix）与大家分享”。
• 因为从零开始写全套工具是不现实的，所以早期的 Linux 还依赖 Minix 的工具链，跑的都是 GNU 的程序：gcc,bash…
• 天时地利人和：刚好踩中了 386(486) 的时间点，计算机硬件恰好在那时开始起飞。

“Just for fun”

“Revolutionaries aren’t born. Revolutions can’t be planned. Revolutions can’t be managed. Revolutions happen…”

—— David Diamond (《Just for Fun》作者)

• 对比当前教育部的政策（加强高校有组织科研、新型举国体制、在操作系统换道超车……）
• 在学校里总是被一些莫名其妙的事情拖住……因为我们的国家要生存，所以很多时候只能在夹缝中求生。但革命，往往是在“Just for fun”的不经意间爆发的。

“Linux is Obsolete” Debate 世纪大辩论

• 在comp.os.minix论坛上，关于 Linux 的讨论盖过了原本的 Minix。
• 祖师爷 Andrew Tanenbaum 坐不住了，做出了“官方回应”，认为 Linux 采用宏内核（Monolithic）是“太落后”的设计。
• 21岁的 Linus 初生牛犊不怕虎，完全不服气，直接发长文回怼。
• 甚至连图灵奖得主、UNIX 之父 Ken Thompson 也参与了这场围观……

后来的事 (Linux 代码的指数级暴涨)

• Linux 2.0 引入了多处理器（但使用了 Big Kernel Lock，内核本质上不能并行）。
• Linux 2.4 真正实现了内核并行。
• 2002 年才引入了神级机制 Read-Copy-Update (RCU) 无锁同步。
• 2003 年 Linux 2.6 发布，随着云计算时代的到来，Linux 正式起飞，一统天下。

Linux 和应用程序的接口 🌶️

Linux 的“两面”

• Kernel (内核面):
  • 负责加载第一个进程。这相当于在操作系统中“放置一个位于初始状态的状态机”。这就是大名鼎鼎的initramfs模式。
  • 维护并包含一些供进程操纵的操作系统对象。
  • 除此之外，“什么也没有”。（在用户态看来，Kernel 其实就是一个躺在底层被动等待调用的 Trap Handler）。
• Ecosystem (发行版和应用生态面):
  • 构建在 Linux Kernel 系统调用之上的系统工具 (coreutils,binutils,systemd…)。
  • 桌面系统 (Gnome, XFCE, Android)。
  • 应用程序 (文件管理器, VSCode…)。

The last piece: “初始状态”

• Everything is a state machine！
• 既然是状态机，那“操作系统中的对象”必然需要一个初始状态。它是什么呢？
• 当你更新 Linux 系统时，经常会看到屏幕上卡在update-initramfs... (漫长的等待)。没错，这就是 Linux Kernel 启动后的“初始状态”载体。

Initramfs：点亮 Linux 世界的第一把火

• 我们的 initramfs 实验：
  里面可以只有一个最小的init文件（比如静态编译的极简 Linux 镜像），甚至可以是任何你自己写的一个二进制a.out。
• 系统启动后，Linux 还会为你增加/dev和/dev/console（因为总得给stdin/stdout/stderr找个“输出的地方”）。
• 真实的 initramfs (你可以解压它看一看):
  它包含基本的命令行工具、基础的设备驱动程序（以便随后能从真正的磁盘或网络上挂载庞大的文件系统），以及紧急文件系统修复工具（万一磁盘坏了，还能抢救一下）。

点亮世界的工具：Busybox

在真实的初始阶段，你看不到华丽的桌面，甚至没有完整的系统，只有一个busybox在默默支撑起早期的生命：

[ [[ acpid adjtimex ar arch arp arping ash awk basename bc blkdiscard blockdev brctl bunzip2 busybox bzcat bzip2 cal cat chgrp chmod chown chpasswd chroot...

并不是我们平时“看到”的“Linux”世界

启动的初级阶段：

• 在 initramfs 中加载剩余必要的驱动程序（磁盘/网卡）。
• 挂载真实的根文件系统。Linux 内核有启动选项（类似环境变量），记录在/proc/cmdline里。读取 root filesystem 的/etc/fstab。
• 神之一手：将控制权移交给另一个程序（例如现代 Linux 的霸主systemd）。

启动的第二级阶段：

• 看一看系统里的/sbin/init到底是什么？
• 计算机系统没有魔法，一切的神奇都有底层系统调用的合理解释。

移花接木：构建真正应用世界的系统调用

switch_root命令背后的核心系统调用是pivot_root()：

intpivot_root(constchar*new_root,constchar*put_old);

• 这个系统调用会改变调用进程所在 mount namespace 的根目录挂载点。
• 它把当前的根挪到put_old目录下，并把new_root提拔为新的系统根目录！
• 在此之后，早期的那个用来过渡的Initramfs就会被释放，功成身退。
• /sbin/init指向的程序（比如systemd）开始接管一切，加载网卡、配置 IP、修改 tty 字体……真正的操作系统世界就此展开。

终局：操作系统 = 对象的集合与生态的繁荣

总结：什么是操作系统？

• 初始状态:initramfs中的对象 +/dev/console+ 加载的init。
• 状态迁移:硬件选择一个进程（对象），执行一条指令。
• 系统调用支撑一切:
• 进程管理:fork,execve,exit,waitpid…
• 文件对象访问:open,close,read,write,pipe,mount…
• 地址空间管理:mmap,sbrk…
• 特权控制机制:pivot_root,chmod,chown…

操作系统是幕后的 MVP

仅靠“初始状态 + 系统调用”这些机制，操作系统完全“感知不到”上层应用程序的存在。它只是无私地奉献着底层机制。
(嘿！也许在 AI 时代，操作系统可以通过为每一个 system call 甚至 function call 提供 traceability，从而真正去“感知”并理解应用的意图了！)

应用生态：从光盘到开源包管理器

• 前互联网时代：软盘发行 (DOS) -> 光盘发行 (Win95)。双击安装，输入 CD-Key，当时要破解简直太容易了。
• 应用商店模式：OS 提供 SDK/API，开发者独立打包发行，提交审核（如 AppStore 或 Microsoft Store，交 $19 保护费开个账号）。
• 开源模式 (Debian)：开发者共同维护代码和应用仓库。

“We want to create a free operating system, freely available for everyone… we are referring to software freedom.”
—— Debian Project

计算机科学与其他学科截然不同的一点就在于：开源开放。
1998 年诞生的apt-get install firefox，是跨时代的“Advanced Packaging Tool”，彻底重塑了软件的分发模式。

Debian 的包管理与“软件供应链”：

一个.deb软件包，本质上只是一个压缩包：

• control.tar.xz: 包含元数据（维护者、依赖 Depends、描述 Description…）
• data.tar.xz: 包含实际要解压到绝对路径的各种二进制文件。
• dpkg: 安装工具，其实它也只是操作系统上的一个普通应用程序，利用简单的文件读写系统调用完成“安装”。

为什么建设我们国家自己的操作系统生态那么艰难？

• 生态的关键是开发者。
• 但是 qualified（合格的）开发者太少了！大学四年都在写高血压代码，不懂底层原理。
• 错误的设计 = 无法维护的泥潭。
• 这门《操作系统》课程的终极使命，就是让大家“见识”各种优秀与糟糕的设计，从而写出真正高质量的系统级代码。
• 蒋门万岁！！！

AI 时代，"软件生态"会消失吗？
也许未来，我们只需要一个“最小”的执行环境，剩下的庞大包管理和组件，全部由 AI 随时随地按需生成。

篇末结语 (Virtualization 虚拟化篇 完结)

Take-away Messages:
至此，我们终于完全展示了逐层抽象的计算机系统世界：

• 最底层，硬件向上提供了指令集体系结构 (ISA)。
• 基于指令集，我们实现了操作系统（提供了各种对象、Syscall API，以及由 initramfs 定义的初始状态）。
• 操作系统之上，支撑起了基础的系统工具（coreutils,shell,apt,gcc…）。
• 在系统工具之上，才是各式各样繁荣的应用程序。

实际上，我们在计算机系统中看到的五彩斑斓的画面，全都是由应用程序“完成”的，操作系统只是默默退居幕后，提供着极其原始的系统调用接口。
正是因为这些系统调用接口异常稳定、向后兼容，经过几十年的演化和积累，形成了难以逾越的技术屏障。在颠覆性的技术革新到来之前，任何想要“另起炉灶”做新操作系统的尝试，都注定是极其困难的。