相关概念

操作系统

• 使用计算机有两大条件：

  1. 准备一套计算机硬件，至少包括 CPU、内存，通常还包括硬盘、显示器、键盘等设备。
  2. 在内存中写入一套操作系统的代码，由 CPU 执行。
     • 例如，用户购买一个笔记本电脑，通常内置了操作系统的代码。只要连通电源、按下开机键，就会自动执行操作系统。

• 目前世界上流行的操作系统举例：

  • Linux ：开源
  • Windows ：闭源，收费
  • Darwin ：闭源，收费
  • Android ：开源

Unix

• 1964 年，贝尔实验室、麻省理工学院、通用电气公司开始合作研发一个分时操作系统 Multics 。

  • 传统的操作系统，同时只能供一人使用。而 Multics 系统的设计目标，是安装在通用电力公司的大型计算机上，支持几百个用户同时使用。
  • Multics 项目发明了多项新技术，比如动态链接、分层文件系统。

• 1966 年，Ken Thompson 从加州大学伯克利分校毕业，加入贝尔实验室，参与研发 Multics 。

  • 在研发 Multics 的过程中，Ken Thompson 在 Multics 系统中编写了一个名为 "Space Travel" 的小游戏。

• 1969 年，Multics 项目变得越来越复杂，难以完成，于是贝尔实验室决定退出该项目。

  • 退出 Multics 项目之后，不能再使用昂贵的大型计算机。因此，Ken Thompson 将他的小游戏，移植到另一台老旧的 PDP-7 小型计算机上。
  • 移植的过程是：
    • 借鉴 Multics 系统的设计思路，用 PDP-7 汇编语言开发了一个新操作系统，取名为 Unix 。
    • 借鉴 BCPL 语言，发明了 B 语言。然后用 B 语言混合汇编语言，在 Unix 系统中开发程序。

• 1972 年，因为使用 B 语言开发程序依然麻烦（比如没有数据类型），Ken Thompson 和 Dennis Ritchie 将 B 这个解释型语言，改进为一个编译型语言，称为 C 语言。

  • 然后他们用 C 语言重写了 Unix 系统。
  • 他们吸取了 Multics 项目的教训，在设计 Unix 系统时采用 "Keep it simple and stupid" 的原则：将复杂的程序拆分成多个小模块，然后组合使用。

• 1978 年，Brian Kernighan 和 Dennis Ritchie 出版书籍《The C Programming Language》，将 C 语言介绍给全世界。

  • 这是第一本介绍 C 语言编程的书籍，书中的第一个示例程序是显示 "hello world" ，成为了众多编程语言教程的传统。
  • 这本书中描述的 C 语言，此时还没有正式的语法标准，称为 "K&R C" 。

• 随着 C 语言的推广使用，Unix 系统也被传播开来。

  • 1980 年代，贝尔实验室所属的 AT&T 公司将 Unix 作为闭源的商业软件发售。当时用户对 Unix 进行研究、改动，衍生了多种闭源的操作系统，但这些操作系统之间差异越来越大、不兼容。于是人们制定了 UNIX 规范和 POSIX 规范，希望这些操作系统遵守统一的规范。
  • 1990 年代，一些人借鉴 Unix 系统，开发了一些新的操作系统。它们统称为类 Unix 系统，与 Unix 相似，但不符合 Unix 规范，源代码也不同。
    • Unix 因为闭源，一直用户少。反而某些类 Unix 系统更流行。
  • 目前，Unix 系统主要有两个分支：
    • System V ：由贝尔实验室所属的 AT&T 公司开发，属于闭源的商业软件。
    • BSD ：由加州大学伯克利分校开发，基于贝尔实验室的 Unix 源码，属于自由软件。其中最流行的一个发行版是 OpenBSD 。

Linux

• 1991 年，芬兰的大学生 Linus Torvalds 开发了一个类 Unix 系统，取名为 Linux 。
  • Linux 最初只有一个内核。Linus 将它按 GPL 协议授权为自由软件，吸引了其他人参与开发，形成了一个积极的社区。
  • 后来，Linux 内核与诸多 GNU 软件组合在一起，构成了一个功能完善的操作系统，称为 GNU/Linux 。严格来说，Linux 并不是一个操作系统，只是操作系统的内核。
• 2007 年，开源发展实验室（Open Source Development Labs ，OSDL）与自由标准组织（Free Standards Group ，FSG）合并，成立 Linux 基金会，负责管理 Linux 社区。

Darwin

• 一个开源的类 Unix 系统，其内核称为 XNU （X is Not Unix），混合了 Mach 内核、FreeBSD 组件。
• 由 Apple 公司开发，用作 MacOS、IOS 系统的底层。
  • MacOS 系统（原名为 Mac OS X ，缩写为 OS X ）
    • 用作 Apple 公司生产的 Macintosh （简称为 Mac ）品牌电脑的专用系统。
  • IOS 系统
    • 用作 Apple 公司生产的 iPhone 手机、iPad 平板的专用系统。
• 关于应用程序：
  • 安装包的扩展名：
    • .dmg ：一种压缩文件格式，类似于 .iso ，
    • .pkg ：一种安装包格式。
  • 包管理工具：
    • Mac App Store
    • Homebrew ：提供了命令行工具 brew 。
  • 开发语言：
    • Objective-C
      • 一种编译型语言，在 ANSI C 的基础上增加了 Smalltalk 语言的特性，支持面向对象编程。
      • 于 1983 年由美国人 Brad Cox 发明。
    • C++
      • 可以基于 Qt 开发程序。
    • Swift
      • 于 2014 年由 Apple 公司发布，目标为取代 Objective-C 。

Android

• 于 2007 年由 Google 公司发布，主要用于智能手机、平板电脑等小型移动设备。
• 该操作系统的内核是 Linux 内核，底层软件采用 C 和汇编语言开发，上层软件采用 Java 语言开发。
  • 底层软件与 Linux 系统的差异较大。例如用 Bionic 库替换了 GNU C 库，因为 Bionic 库的体积、内存开销更小。
• 在 Android Open Source Project（AOSP）项目中开源，采用 Apache License 开源协议。
  • 虽然 Android 系统开源，但安装了该系统的设备，一般还会安装一些专有软件，比如 Google 移动服务（GMS）、Google Play 。
• 关于应用程序：
  • 安装包的扩展名：
    • .apk
  • 包管理工具：
    • 各种平台提供的 Appstore ，比如 Google Play 。
  • 开发语言：
    • Java
      • 运行在专为 Android 设计的 JVM 上，称为 dalvik 。
    • C++
      • 可采用 Qt 或 Android Native Development Kit（NDK）开发程序，但是开发过程比平台原生语言麻烦。
    • Kotlin
      • 一种编译型语言，可以编译成 Java 字节码或 JavaScript 。
      • 于 2011 年由 JetBrains 公司发布。
      • 2019 年，Google 公司宣布 Kotlin 取代 Java 成为了 Android 的首选开发语言。

接口

• 开发一个软件程序，应该对外提供一些接口（interface），供用户使用。每个接口用于实现一项功能。

• 根据外观的不同，将接口分为几类：

  • ABI（Application Binary Interface ，程序二进制接口）

    • ：调用这种接口时，需要按某种格式编写一段二进制数据。
    • 例：
      • 编译器将 C 语言编译成汇编语言时，有很多 ABI 层面的规定，例如每个数据类型的容量、使用哪些寄存器。

  • API（Application Programming Interface ，程序编程接口）

    • ：调用这种接口时，需要按某种编程语言编写一段代码。
    • 例：
      • 一个 C 语言程序可以在头文件中声明函数形式的 API ，供其它程序调用。
      • 一个 MySQL 数据库提供 TCP 形式的 API 。
      • 一个 Web 服务器提供 HTTP 形式的 API ，供其它程序发出 HTTP 请求来调用。
    • 如果程序 A 提供了某个 API ，程序 B 也提供了相同的 API ，则其它程序可以通过相同的方式（比如用同一段代码）与这两个程序交互，称为兼容。

  • CLI（Command Line Interface ，命令行界面）

    • ：在计算机显示屏中，只显示字符文本，只允许用户通过键盘进行操作，例如输入一些字符串作为 shell 命令执行。
    • 例：
      • Linux 内核只提供了 CLI 界面，但有的 Linux 发行版也提供了 GUI 界面。
      • Xterm 是一个传统的 CLI 界面，功能简单。

  • GUI（Graphical User Interface ，用户图形界面）

    • ：在计算机显示屏中，显示一些图形按钮，允许用户通过键盘、鼠标、触摸板等方式操作。
    • 优点：对于不熟悉计算机的用户而言，GUI 方式最容易使用，而 CLI、API 方式都存在学习成本。
    • 缺点：对于程序员而言，GUI 方式需要鼠标手动点击，不能像 CLI、API 方式那样自动化。
    • 例如：很多 Linux 发行版安装了 X Window System ，简称为 X11 。然后在 X11 的基础上，运行 GNOME、KDE 等图形桌面。

• 比较 ABI 与 API ：

  • ABI 通常用于底层软件。而 API 通常用于上层软件。
  • ABI 使用二进制数据，难以被人类阅读。而 API 使用字符代码，容易被人类阅读。
  • ABI 接口是跨编程语言的，因为任何编程语言都能生成二进制数据。而调用 API 时，只能按少量几种编程语言编写代码。

系统接口

• 一个操作系统（Operating System）包含大量软件，分为几个大类：

  • 内核（kernel）
    • ：操作系统的核心软件，负责实现操作系统中最基础的功能：控制计算机硬件。例如 CPU 调度、内存分配、磁盘读写。
    • 内核代码与计算机硬件高度耦合。例如需要编写不同的代码，从而适配不同型号的 CPU 。
  • 上层软件（high-level software）
    • ：泛指除了内核以外的其它所有软件。
    • 上层软件不能独立运行，而是依赖内核。因为上层软件需要调用系统接口，才能间接控制计算机硬件。
      • 例如一个 MP3 播放器软件，需要调用系统接口，让 CPU 执行代码，让扬声器播放音频。
    • 内核是操作系统中必须运行的软件，而上层软件不是必须的。
      • 如果想开发一个代码体积很小的操作系统，则可以不包含上层软件，只包含内核，甚至将内核中不重要的代码删掉。
  • 底层软件（low-level software）
    • ：泛指一些提供基础、通用功能的软件，经常被其它软件调用、依赖，是其它软件的底层。
    • 例如库函数、编译器、硬件驱动。
    • 底层软件是一个相对的概念。
      • 例如 MySQL 是很多软件系统中的底层软件。但相对于内核而言，MySQL 是上层软件。
      • 严格而言，底层软件属于上层软件。但有时说到底层软件，也包括内核。
      • 底层软件更接近计算机内核、硬件，通常以 ABI、API 方式使用，较麻烦。而上层软件更接近人类用户，通常以 CLI、GUI 方式使用，较方便。

• 操作系统的内核会提供一组系统调用接口（System Call Interface，SCI），通常为 API 的形式，供上层软件调用。

  • 优点：
    • 简化了开发上层软件的工作量。不需要亲自编码来控制计算机硬件，不需要了解计算机硬件的大部分细节。
    • 使得上层软件的代码与计算机硬件解耦。可以将一个上层软件拷贝到不同的计算机硬件上运行，只要系统接口相同。
    • 提高了系统的稳定性、安全性。因为上层软件只能执行系统接口允许的操作，不能随意控制计算机硬件。
  • 缺点：
    • 上层软件虽然可以调用系统接口，间接控制计算机硬件，但速度可能不如直接控制计算机硬件。
      • 例如 Linux 中，上层软件每次调用系统接口时，都需要进行 CPU 上下文切换，切换执行内核程序。
    • 可能导致上层软件的代码与系统接口耦合。例如一个上层软件需要调用内核的某个接口，而其它操作系统可能不存在同名接口，导致该软件不能拷贝到其它操作系统中运行。

• 例：

  • Linux 内核提供了几百个系统接口。可以修改内核 C 语言源代码，增加新的系统接口。
  • Linux 系统中使用 strace 命令，可打印一个进程调用的所有系统接口。
  • Linux 系统接口举例：

    fork()    // 拷贝当前进程，创建一个子进程
    write()   // 写数据到文件中
    brk()
    mmap()
    

POSIX

• 1990 年代，为了统一不同操作系统的接口，IEEE 协会制定了 POSIX（Portable Operating System Interface of UNIX，可移植的操作系统接口）标准。

  • POSIX 标准定义了一个操作系统应该提供哪些系统接口，以及每个接口应有的功能、输入、输出，但不限制每个接口的源代码怎么写。
  • POSIX 标准在设计上主要借鉴了 Unix 操作系统。
  • 优点：如果两个操作系统都遵循 POSIX 标准，则可以将一个操作系统中的软件，拷贝到另一个操作系统上运行。此时称这两个操作系统兼容（compatible），软件可移植（portable）。

• POSIX 标准定义了大量系统接口，而一般的操作系统难以遵循 POSIX 的全部内容，只能遵循 POSIX 的基本内容。例：

  • Unix 系统、类 Unix 系统基本兼容 POSIX 。
  • Linux 系统基本兼容 POSIX ，因此 Linux 上的软件通常能移植到 UNIX 系统上运行。
  • Windows 系统一直沿用 1993 年发布的 Windows NT 系统接口，不兼容 POSIX 。
  • Darwin 系统基本兼容 POSIX 。
  • Android 系统采用 Linux 内核，但底层软件与 Linux 系统的差异较大，对 POSIX 的兼容性较少。

库函数

• 开发上层软件时，有些源代码需要重复使用，因此人们将这些常用代码封装为一些库函数（library function），以 API 形式被其它上层软件调用。

  • 库函数的定位：
    • 相对于内核而言，库函数属于上层软件，可以调用系统接口。
    • 相对于一般的上层软件而言，库函数属于底层软件。
    • 一个上层软件，可以调用其它上层软件（比如库函数）来实现某种功能，也可以直接调用系统接口。
  • 用户可以在一个操作系统中，安装多种库函数。通常只需下载它们的库文件。
  • 优点：
    • 简化了开发上层软件的工作量。
  • 缺点：
    • 上层软件调用库函数时，需要采用与库函数相同的编程语言。

• 例：

  • Linux 系统自带了 glibc 库，提供了一些 C 语言的库函数。例如：

    printf()  // 在计算机终端打印一行字符串。其原理是调用系统接口 write() ，向文件描述符为 1 的文件，写入 n 个字符
    malloc()
    

  • Unix 系统上，使用 ldd 命令可查看一个程序依赖哪些库文件。例如：

    [root@CentOS ~]# ldd /bin/echo
        linux-vdso.so.1 =>  (0x00007ffe3d5e7000)
        libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007fc3323e3000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fc3327b1000)
    

  • Windows 系统自带了一些 C 语言的库函数，但是函数源代码保密，只公开了函数名。
    • Windows 系统的这些库函数，名称、用法与 Linux 库函数不同。

• 根据开发者的不同，可以将库函数分为两类：

  • OS 库
    • ：操作系统自带的一些库函数。
    • 优点：
      • 安全。
      • 功能稳定。因为被很多用户使用、反馈。
    • 缺点：
      • 只提供一些基础的功能，使用起来依然麻烦。
  • 第三方库
    • ：由第三方（比如开源工作者、商业公司）开发的一些库函数。
    • 优点：
      • 功能丰富。
    • 缺点：
      • 可能包含恶意代码。
      • 可能存在功能故障。

GNU

：自由软件计划（GNU is Not Unix），1983 年由美国人 Richard Stallman 发起。

• GNU 旨在推广自由软件（free software）的理念。
  • 他认为电子软件的一大优点就是容易拷贝，这是用户的基本自由，不能被非自由软件剥夺。
  • 他希望软件开发者不是靠昂贵的版权费获利，而是靠技术支持等服务获取报酬。简单来说就是 "资源免费，服务收费" 。
  • 自由软件强调自由，而不是单纯的免费。
  • 计算机软件的功能、设计原理、编程语言本身没有版权，因此一款软件可以被别人反向编程。比如 Java 语言没有版权，但甲骨文公司拥有 JVM 和一些类库的版权。
• 1985 年他创建了自由软件基金会（Free Software Foundation ，FSF），作为 GNU 计划的主要赞助组织。
• GNU 计划的目标是创建一个完全自由的操作系统，从里到外使用的软件都是自由软件。
  • GNU 计划已经开发了很多流行的自由软件，例如 glibc、gcc、make、bash 。
  • GNU 计划最初打算为这个操作系统开发一个内核，称为 hurd ，但一直没有完成。后来改用 Linux 内核。

GPL

：GNU 通用公共许可证（GNU General Public License），是 GNU 运动推广的一种开放授权的版权协议。

• 1989 年发布 v1 版本，允许 GNU 软件可以被所有人自由地使用、复制、修改和再发布，任何人都不能限制该权利。
• 1991 年发布 v2 版本，对程序库的许可宽松一些。
• 2007 年发布 v3 版本，修补了一些法律漏洞。

开源

1998 年，自由软件阵营中的部分成员分裂出来，以 "开源" 的名义开展活动。

• 开源是指对外公布软件的源代码，但不一定允许其他人使用、修改源代码，因此开源软件不一定是自由软件。
• 很多公司利用开源的方式，吸引社区开发者免费贡献，提高软件质量。

ASF

：Apache 软件基金会（Apache Software Foundation）

• 于 1999 年由 Apache HTTP 服务器的开发者们创立 ，目前已成为世界上最大的开源基金会，管理的开源软件越来越多。
• 其他个人或团体可以将项目捐赠给 ASF 管理、维护，这需要放弃自己对该项目及其商标的所有权。
  • 捐赠的项目需要先进入 Apache 孵化器（Incubator），通过一些质量审核、投票之后才可以毕业，正式成为 Apache 顶级项目，或者其它项目的子项目。
  • ASF 项目列表 (opens new window)