开源文化的肇始 - 读《Unix 传奇历史与回顾》
date
Oct 26, 2023
slug
reading-notes-unix-history-and-memoir
status
Published
tags
读书
summary
Unix 发展史
type
Post
这本书最早知道也是从左耳朵耗子那里看到的，耗子叔推荐的书，必须要看看的。
Unix 发源地-AT&T 下的贝尔实验室
AT&T，即美国电话电报公司（American Telephone and Telegraph Company），由分布于美国各地的多个当地电话公司组合而成。在其发展历史的早期阶段，AT&T 意识到，它需要一个研究机构，系统解决在建设全国电话系统时遇到的科学和工程难题。1925 年，AT&T 创办研发子公司贝尔电话实验室（Bell Telephone Laboratories），意在解决这些难题。
1956 年，晶体管的发明者荣获诺贝尔奖。共有 9 项诺贝尔奖是因获奖者在贝尔实验室工作期间的成果而颁发的。贝尔实验室雇员还发明了负反馈放大器、太阳能电池、激光器、手机、通信卫星和电荷耦合器件（有了它，手机上的摄像头才能工作）等。
贝尔实验室持续投入，布局长远
贝尔实验室从全国范围内用户为每台电话缴纳的税款中获得回报。据迈克尔 · 诺尔（A. Michael Noll）的论文，AT&T 将营收的 2.8% 投入研发，其中基础研究投入约占营收的 0.3%。放到今天，这样的安排不知能起多大作用，但在那几十年里，电话系统因此获得了持续改进，许多基础科学发现也因此应运而生。
持续的资金投入是研究工作的关键保障。这意味着 AT&T 能布局长远，贝尔实验室的研究员们也能自由探索那些未必有短期回报，甚至可能永无回报的领域。现今世界已全然不同，多数人只做未来几个月的规划，功夫都花在了预测下一季度财务状况上。
CTSS 分时系统和 Multics 操作系统
当时最有创造性的操作系统是麻省理工学院于 1964 年推出的 CTSS（兼容分时系统）。在那个时代，大多数操作系统都采用“批处理”技术。程序员将程序打到穿孔卡上（那是很久以前的事了！），交给操作员，然后苦等几小时甚至几天，等待结果出来。
穿孔卡用高品质硬纸制成，每张卡片能保存最多 80 个字符，容纳一行程序的内容。6 行 C 语言程序得用 6 张卡片，如果要修改代码，就得替换卡片。
与此不同，CTSS 程序员使用类似打字机的设备（如下一章图3-1所示的Model 33 Teletypes“终端机”），设备直接连接或通过电话线连接到一台大型计算机，如拥有两倍于通常型号32K（32 768）个字长内存的IBM 7094。操作系统看顾每位登录用户，在用户之间快速切换，令每位用户误以为整台计算机都为我所用。这种技术叫作“分时”，（以我个人体验而言）它比批处理更为令人愉悦和有生产力。多数情况下，真的让人感觉不到有其他用户存在。
见到 CTSS 编程环境如此高效，麻省理工学院的研究员们决定做一个更好的版本。他们想做一套信息处理工具，向大众提供计算服务。1965年，他们开始设计 Multics 系统。Multics 意思是多路复用信息和计算服务（Multiplexed Information and Computing Service）。
过于复杂的 Multics
Multics 是个大项目，意图制造出强悍的新软件和比 IBM 7094功能更丰富的新硬件，所以麻省理工学院邀请了两家公司来帮忙。计算机制造商通用电气（General Electric，GE）公司负责设计和生产拥有全新硬件特性、能更好地支持分时和多用户体系的新计算机。由于贝尔实验室在 20 世纪 50 年代初就打造了自己的操作系统，拥有极丰富的经验，因此在这个项目中帮忙做操作系统。
Multics 本该前途无量，但其很快就陷入困境。回头看来，它算是第二系统效应（second system effect）的受害者。所谓第二系统效应，意思是在首个系统（如CTSS）创建成功后，打算创建一个新系统，修正旧系统的遗留问题，还要添加每个人期望的新特性，结果常常是塞了太多不同东西进去，最终得到过于复杂的系统。这就是 Multics 遇到的情况。在多份有关 Multics 的文件中都出现了“过度设计”（over-engineered）一词，用萨姆·摩根的话来说就是“同时爬好多棵树”。而且，项目参与方是一所高校和两家全无共性的公司，分布在美国的 3 个地方，即使对组织机构无甚研究的人也能料到会出问题。
1966 年至 1969 年，有六七个贝尔实验室研究员从事 Multics 相关工作，其中有道格·麦基尔罗伊、丹尼斯·里奇、肯·汤普森和彼得·诺伊曼。维克·维索斯基搬去贝尔实验室的另一处驻地后，彼得接替了他的职位。道格致力于在 Multics 上实现 PL/I。还在哈佛大学读书时，丹尼斯就在为 Multics 编写文档，加入贝尔实验室后，又参加开发设备 I/O（输入/输出）子系统。肯全力做 I/O 子系统，这段经历在他后来开发 Unix 时派上了用场。在 2019 年的一次采访中，他形容自己为 Multics 做的事是“巨轮上的一道凹槽，它搞出来的东西连我自己都不想用”。
到了 1968 年，尽管对能用上它的少数人而言，Multics 算是一个优秀的计算环境，但在贝尔实验室看来，作为一套信息处理工具，它已无法实现以合理的代价为实验室提供计算服务的目标，并且它太贵了。1969 年 4 月，贝尔实验室退出 Multics 项目，留下麻省理工学院和 GE 继续苦战。
Multics 最终还是完成了，起码是宣称成功了。直至 2000 年，它虽然没被广泛接受，但仍然持续得到支持和使用。很多好点子滥觞于 Multics，但它最持久的贡献却完全没人预料到：它影响了一个叫 Unix 的小操作系统，这个小系统诞生的部分原因是想摈弃 Multics 的复杂架构。
Unix 诞生 - 为了测试文件系统的吞吐量
PDP-7 于 1964 年推出，但计算机领域演进太快，到了 1969 年，它已经过时。这台机器本身不算很强大，只有 8K（8192）个 18 位字长的内存（16 KB），但其图形显示非常漂亮，所以肯就为它写了个太空旅行游戏。在这个游戏里，玩家可以漫游太阳系、探访各个行星。
但这台机器有一个问题，磁盘运转速度远高于计算机读写速度。为了解决这个古怪的问题，肯写了个磁盘调度算法来提升磁盘的总吞吐量。
Unix 是用来测试吞吐量之类的文件系统实现。实现出来之后，我发现很难用数据给它加上负载。我可以在循环中调用读/写操作，但做不了更复杂的事。这就是邦妮（Bonnie）去圣迭戈（San Diego）探望我父母时，我面临的状况。
我认为它已经很接近分时系统了，只是还缺少执行调用（exec call）、shell、编辑器和汇编器。（没有编译器）执行调用手到擒来。其他三个每周做一个——加起来正好是邦妮在那边待的时间。
计算机内存有 8k×18 位。4k 做内核，4k 供用户程序换入换出。
Unix 命名由来 - 用 uni 替代 multi
我记得自己站在办公室门口，和几个人讨论，其中好像有肯、丹尼斯和彼得 · 诺伊曼。那时系统还没名字。（如果我记忆准确的话）我提议，从拉丁词根看，Multics 意图提供“包罗万象”的功能，而新系统顶多择一而从，应该拿 uni 来替代 multi，叫它 “UNICS”。
也有人说，UNICS 这个名字是彼得·诺伊曼想出来的，代表“毫不复杂的信息与计算服务”（UNiplexed Information and Computing Service）。
Unix 被用来编写文字处理程序
直接申请买机器的企图失败了，但还有替代办法。贝尔实验室是巨大而富有成效的科研机构，产出大量专利申请。在那个时期，它几乎平均每天被授予一项专利。专利申请是文本文档，但有一些严苛的格式要求，例如要标出行号。既有的计算机系统无法应对这些奇怪的规则，所以专利部门计划向一间公司购买专门硬件来处理。虽然该公司宣称配套软件能够制作符合格式的申请书，但当时那套软件还是不能加行号。
乔·奥桑纳提议，专利部门可以用 PDP-11 准备专利申请材料，Unix 小组负责编写所需软件，包括能以合适格式输出申请书的文本格式化程序在内。而且，不会有人拿这台机器来做操作系统。
为什么 Unix 命令很短：因为打字很费劲
正在用一台 Model 33 Teletype 打字。这种电传打字机既慢又吵。它基本上是一种计算机控制的电子机械打字机，只能输出大写形式，每秒 10 个字符。Model 33 是 1963 年推出的，但更早的型号从 20 世纪 30 年代早期就开始广泛使用了。
Unix 中许多命令都很短，原因之一就是在 Mode 33 上输入非常费力，而且输出速度太慢。
系统调用 creat
顺便说一下，creat 系统调用之所以这么拼写，只能归咎于肯 · 汤普森的个人品位，没有其他什么好借口。罗布·派克曾经问肯，如果重写 Unix，他会做哪些修改。他的答案是什么？“我会在 creat 后头加上字母e。”
管道就像花园里的水管
将程序连接起来的想法由来已久。Unix 语境中最清晰的陈述之一出现在道格·麦基尔罗伊在 1964 年写的一份内部文件里。这份文件提出，“像花园水管那样”把程序接在一起。
回头看来，管道是 Unix 的主要贡献之一。正如丹尼斯 1984 年在 “The Evolution of the Unix Time-sharing System”（Unix 分时系统的演进）一文中写到的那样：
“同样一些命令，以简单方式持续使用，构成了 Unix 管道，这恰恰是管道的天才之处。实在需要脑洞大开，才能看到这种可能性并创造出这个概念。”
C 语言的发明
C 语言一直非常成功，是有史以来使用最广泛的语言之一。虽然它最初在 PDP-11 Unix 上诞生，但已经传播到了差不多每一款计算机上。正如丹尼斯在 1993 年提交到第二届编程语言史（History of Programming Languages）大会的论文中所说：
“C语言既古怪又有缺点，却获得了巨大的成功。虽然历史上的意外事件肯定有帮助，但 C 语言显然满足了人们对一种系统实现语言的需求，这种语言需要足够高效，足以取代汇编语言，但又足够抽象和流畅，足以描述各种环境下的算法和交互。”
BSD 伯克利发行版、比尔乔伊和 TCP/IP 接口
1973 年，AT&T 开始向高校发放 Unix 许可，只收取象征性的费用，不过大多数许可都针对 1975 年推出的第 6 版。也卖出一些第 6 版商业许可，索价高达 2 万美元，大概等于今时今日的 10 万美元。许可包括所有源代码，但不提供任何支持。
加利福尼亚大学伯克利分校是最活跃的许可获得者之一，该校的一些研究生对系统做出了重大贡献，最终演化出伯克利软件发行版（Berkeley Software Distribution，BSD）。BSD 是由最初的科研版 Unix 演变而来的两个主要分支之一。
1975 年和 1976 年，肯·汤普森在伯克利度过了一个休假年，教授操作系统课程。有个叫比尔·乔伊（Bill Joy）的研究生（图6-2）修改 Unix 的本地版本，添加了一些自己的程序，包括 vi 文本编辑器（现在仍然是最流行的 Unix 编辑器之一）和 csh（C 语言 shell）。比尔后来为 Unix 设计了至今仍在使用的 TCP/IP 网络接口。有了他的 socket 接口，就能用与文件和设备 I/O 相同的读写系统调用来读写网络连接，因此很容易添加网络功能。
迅速占领市场甚至是未来的市场，成为事实上的标准
Unix 确实有市场。甚至可以说，AT&T 通过向大学生赠送 Unix，无意中创造了这个市场。当大学生进入社会，受雇于有能力支付真金白银的公司时，他们就会需要它。
Unix 贡献及评价
Unix 及其主要创建者肯汤姆森和丹尼斯里奇的共享得到了认可，当他们在 1983 年获得 ACM 图灵奖时，该评选委员会表示：”Unix 系统的成功源于其高品味的关键概念选择及优雅的实现。Unix 系统模式引领了一代软件设计者对编程的新思考。Unix 系统的天才之处在于其框架，它使程序员能够相互倚重。
他们获得的其他荣誉包括成为美国国家工程院院士，以及荣获 2011 年日本信息与通信奖，获奖理由是：“与当时盛行的其他操作系统相比，他们的新型先进操作系统更简单、更快捷，而且具有方便用户的分层文件系统。
Unix 是与 C 语言共同开发的，C 语言至今仍被广泛用于编写操作系统，极大地提高了 Unix 源代码的可读性和可移植性。因此 Unix 已被嵌入式系统、个人计算机和超级计算机等各种系统所采用。
Unix 也是互联网发展的主要推动力。加利福尼亚大学伯克利分校开发了伯克利软件发行版 BSD，这是 Unix 的扩展版本，与互联网协议套件 TCP/IP 一起实现。BSD 的开发基于贝尔实验室在 1975 年连同其源代码一起分发给高校和研究机构的 Unix 第六版，这是开源文化的肇始。BSD Unix 帮助实现了互联网。”