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-拓冰建站

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“Linux is Obsolete” Debate 世纪大辩论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。