UNIX/Linux：简史与标准化

1. Unix 标准与手册页

• 背景引入

  • 在学习进程、线程编程之前，通常接触过文件 I/O。
  • 常用函数：open 是一个系统调用（System Call）。
  • 在手册页（man page）中查看 open（Section 2）时，会看到系统调用层面的描述。
  • 在手册页中查看 open 和 creat 函数时，会看到符合多种标准的标注：
    • SVR4 (System V Release 4)
    • 4.3BSD (Berkeley Software Distribution)
    • POSIX (Portable Operating System Interface)
    • POSIX.1-2001
    • POSIX.1-2008
  • 核心问题：为什么手册页要单独列出这些标准？这些标准存在的意义是什么？

• 本节目标

  • 理解 Unix 系统的诞生与普及。
  • 理解 Unix 的两个重要分支：BSD 和 System V。
  • 理解标准化的必要性及主要标准（POSIX, SUS）。
  • 理解 Linux 下如何实现这些标准。

2. Unix 系统的诞生与普及

• 诞生历程

  • 1969 年：Unix 系统诞生，由 Bell Labs（贝尔实验室）的 Ken Thompson 教授开发，最初使用汇编语言编写。
  • 1972 年：Dennis Ritchie 设计实现了 C 语言（基于 B 语言）。
  • 1973 年：贝尔实验室使用 C 语言重写了 Unix 系统。
    • 意义：后续的 Unix 系统（包括 Linux）主要使用 C 语言编写，提高了可移植性。
  • 早期硬件：早期的 Unix 运行在类似工作台的早期计算机上，与现代实现虽有技术传承，但形态区别较大。

• 早期普及与许可

  • 所属公司：Bell Labs 隶属于 AT&T 公司。
  • 业务特点：AT&T 主营业务不包括操作系统，因此早期 Unix 呈现“免费”（打引号）特点。
  • 许可模式：收取象征性费用，发放软件许可（知识产权许可）。
  • 高校推广：AT&T 向各大高校发放许可。
    • 截至 1977 年，约有 500 个站点使用 Unix。
    • 覆盖全美及海外，包括 125 所大学。
    • 主要用途：教学目的。

3. Unix 的两大重要分支

随着 Unix 的普及和商业化，出现了众多版本，但主要关联到两个核心版本分支：

• 分支一：BSD (Berkeley Software Distribution)

  • 来源：加州大学伯克利分校 (UC Berkeley) 是活跃的许可证获得者之一。
  • 贡献：
    • 对 Unix 系统做出了重大贡献。
    • 套接字 (Sockets)：最早由伯克利分校研究生设计实现，用于网络通信。
    • Vi 编辑器：最早由伯克利分校研究生实现（新版为 Vim）。
  • 商业化演变：随着 Unix 商业化加重，伯克利分校演化出 Berkeley Software Distribution 公司。
  • 版本：常见的 BSD 4.2、BSD 4.3 即指该分支的版本。

• 分支二：System V (系统五)

  • 背景：美国通过反托拉斯法案，AT&T 被强制拆分。
  • 商业化销售：独立后的新 AT&T 公司开始正式销售 Unix 系统，并进行迭代更新。
  • 版本发布：
    • 1982 年：发布 System III。
    • 1983 年：发布 System V (Unix 系统的第五个版本)。
  • 重要性：System V 版本应用广泛，对软件行业发展重要。手册页中的 SVR4 即指 System V Release 4（系统五的第 4 个版本）。

4. 标准化的需求与背景

• 问题背景

  • 时间点：20 世纪 80 年代末。
  • 现状：Unix 已商业化，不同计算机厂商基于 BSD 或 System V（或两者兼容）实现自己的 Unix 系统。
  • 碎片化：厂商在基础系统上添加额外的私有特性。
  • 后果：软件及技术人员在不同 Unix 系统间转移变得困难（可移植性差）。
  • 类比：如同编程语言不统一，阻碍交流与发展。

• 事实标准 (De Facto Standards)

  • 在正式标准出台前，存在事实上的标准：
    • 基于 BSD 的系统需实现 BSD 相关接口。
    • 基于 System V 的系统需实现 System V 相关接口。
  • 手册页标注 SVR4、4.3BSD 即表示该接口符合相应版本的事实标准，确保兼容性。

• C 语言标准

  • 背景：大家均使用 C 语言，语法基本统一（基于 K&R C 语言书籍），但库函数接口不统一。
  • ANSI 标准：美国国家标准委员会组织制定新的 C 语言标准。
    • C89：后来所说的标准 C 语言（ANSI C）。
    • 后续版本：C99, C17 等。
  • 规定内容：
    1. C 语言的语法和语义。
    2. C 语言库函数操作。
  • 局限性：标准 C 主要规定语言层面和标准库，但文件 I/O（如 open）、进程、线程、网络等 API 属于系统级别，不在标准 C 规定范围内。

5. 系统级标准：POSIX 与 SUS

为解决系统级 API 的标准化问题，出现了以下标准：

• POSIX 标准 (Portable Operating System Interface)

  • 组织：IEEE (电气电子工程师协会)。
  • 目标：提升应用程序在源码级别的可移植性。
    • 确保 A 系统和 B 系统的 API 行为一致（如 open 函数参数、行为）。
    • 不规定源码如何实现，只规定函数行为和规范。
  • 覆盖范围：进程、线程、网络等 API 接口。

• SUS 规范 (Single UNIX Specification)

  • 组织：The Open Group (由多家国际计算机厂商组成的联盟)。
  • 背景：Unix 商标版权最终转到 The Open Group 手中。
  • 目的：实现操作系统在不同计算机厂商间的运行兼容性。
  • 与 POSIX 关系：
    • SUS 在 POSIX 标准之上做了更严格的定义。
    • Austin Group：IEEE 和 The Open Group 联合组成的工作组，统一了 POSIX 和 SUS 标准。
    • 版本对应：
      • POSIX.1-2001 取代了 SUSv2 及早期 POSIX 标准。
      • 该标准也被称为 SUSv3。
      • 结论：POSIX 标准和 SUSv3 本质上是同一个标准，两个名字。

• 手册页中的标准标注意义

  • 标注 SVR4：符合 System V 第 4 版标准。
  • 标注 4.3BSD：符合 BSD 4.3 版本标准。
  • 标注 POSIX / POSIX.1-2001：符合 POSIX 标准（即 SUSv3）。
  • 作用：开发者可知该接口的适用性和兼容性范围。

• 现状

  • POSIX 标准不仅用于 Unix，Windows 系统也声称支持许多 POSIX 标准接口。
  • POSIX 已逐渐成为计算机系统的通用标准。

6. Linux 与 GNU 项目

• 开源软件运动背景

  • 80-90 年代，商业操作系统（如早期 Unix、Windows）价格贵且源码不开放，阻碍技术发展。
  • GNU 计划：由 Richard Stallman 发起。
  • 目标：创建完全自由的类 Unix 操作系统（Unix-like）。
    • 注意：不能直接拷贝 Unix 源码（侵犯知识产权），需自行实现。
  • GNU 贡献：
    • 制定 GNU GPL 标准。
    • 实现 GNU 编译器 (GCC)。
    • 实现 Shell (Bash)。
    • 实现 C 库 (glibc)：包含 C 标准库函数及 POSIX 标准库函数。
    • 缺失：缺少系统内核。

• Linux 内核

  • 开发者：Linus Torvalds。
  • 实现：开发了一个操作系统内核（最初未命名为 Linux，后定为 Linux）。
  • 结合：Linux 内核 + GNU 工具链 = 完整的 Linux 操作系统。
  • 归属：Linux 内核很快归入 GNU 项目，成为其一部分。

• Linux 与 Unix 的关系

  • 继承角度：Linux 源自 Unix 思想（如 Minix 教学系统影响），属于 类 Unix (Unix-like) 系统。
  • 版权角度：
    • Unix 商标归 The Open Group 所有。
    • 符合 SUS 标准并通过认证的系统才能称为官方 Unix 系统（如 macOS 已拿到 Unix 认证）。
    • Linux 未通过官方 Unix 认证，因此严格来说 Linux 是 Linux，Unix 是 Unix。
  • 语境区别：
    • 技术继承上：Linux 属于 Unix 体系。
    • 商业版权上：Linux 与 Unix 区分明确。

7. Linux 下标准的实现与查看

• POSIX 标准在 Linux 下的实现方式

  1. 系统调用 (System Call)：
     • 部分 POSIX API 直接由内核实现。
     • 例如：open 在 Linux 下是系统调用。
  2. 库函数 (Library Function)：
     • 部分 POSIX API 封装在 glibc 库中。
     • 例如：某些 POSIX 标准接口作为 C 库函数实现。
  3. 系统组件：
     • Shell：Linux 实现了 POSIX 规定的 Shell（如 Bash）。
     • 工具：实现了系统级工具命令（如 grep, report 等）。

• 手册页 (Man Pages) 的使用与区分

  • 查看 Linux 实现：
    • 命令：man 2 open
    • 内容：查看 Section 2，即 系统调用 层面的描述，反映 Linux 具体实现。
  • 查看 POSIX 标准：
    • 命令：man 3 open
    • 内容：查看 Section 3，即 库函数 层面，通常对应 POSIX 标准描述。
    • 注意：POSIX 手册页会提醒细节可能与 Linux 具体实现有出入。
  • 安装 POSIX 手册页：
    • 默认可能未安装 POSIX 标准手册页。
    • 安装命令（Ubuntu/Debian 示例）：

      sudo apt-get update
      sudo apt-get install man-pages-posix-dev
      

    • 安装后可查看符合 POSIX 标准下的接口描述及实现细节。

• 总结

  • 学习 Linux 编程需理解标准（POSIX/SUS）与具体实现（Linux Kernel/glibc）的关系。
  • 查阅文档时注意区分是查看系统调用（Section 2）还是库函数/标准描述（Section 3）。
  • 本课程重点学习 POSIX 标准中关于进程、线程相关的内容。