EmacsTalk by 写代码的西瓜

May 21, 2025 017. UNIX：一段历史与回忆

本期节目来介绍一本书：Unix: A History and a Memoir（PDF 下载地址，访问码：emacstalk），作者是贝尔实验室的计算机科学家 Brian W. Kernighan，他是 Unix 的联合创始人之一，也是 C 语言、AWK 的主要开发者之一。书中详细回顾了 Unix 的发展历程、设计理念和对计算机科学的影响。

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时间线

02:15 生成播客节目：探索UNIX历史的奇妙之旅

04:16 软件开发的演变：从 Multics 到 UNIX 的故事

06:19 软件开发过程中的挑战与经验教训：重写项目的利与弊

08:22 如何减少失败率？探讨重生计划前阅读UNIX历史的重要性

10:24 深入探索UNIX诞生背后的秘密武器：贝尔实验室的创新之道

12:24 探索与创新的天堂：贝尔实验室与UNIX的诞生

14:25 成功的秘诀：自由探索的氛围、密切的合作和知识分享

16:26 从PDP到UNIX：一个被低估的操作系统的诞生历程

18:26 追寻历史的足迹：贝尔实验室与UNIX的诞生

1. Unix 是如何诞生的，最初的目的是什么？

Unix 的诞生源于贝尔实验室的一个小团队，最初由 Ken Thompson 和 Dennis Ritchie 等人开发。它的起源可以追溯到 Multics 项目，当贝尔实验室退出 Multics 后，Thompson 在一台 PDP-7 计算机上开始了 Unix 的原型开发。最初，这个系统是为了给一个文件系统实现提供测试平台，以便于加载数据进行吞吐量等方面的测试。Ken Thompson 在他的伴侣 Bonnie 回娘家期间，意识到他距离一个分时系统只差一个 exec 调用、一个 shell、一个编辑器和一个汇编器，并决定用三个星期的时间完成它们。因此，最初的 Unix 系统是一个单用户系统，随后才扩展为多用户。名称“Unix”源于对“Multics”的戏称，“UNICS”（UNiplexed Information and Computing Service），最终演变为 Unix。

2. Unix 文件系统有何特点和创新之处？

Unix 文件系统的一个核心特点是其层次结构，以一个根目录 / 为起点，形成树状结构。目录本身也被视为文件，其内容由系统维护，包含关于文件和子目录的信息。每个目录都有特殊的条目： "." 指代自身，".." 指代父目录。这种结构使得通过从根目录开始的路径名（例如 /usr/bwk/book/book.txt）可以轻松访问任何文件。文件系统还支持当前目录的概念，允许使用相对路径。

Unix 的另一个重要创新是将外围设备（如磁盘、终端等）表示为文件系统中的文件。这意味着可以使用与访问普通文件相同的系统调用（如 open, read, write, close）来访问这些设备，极大地简化了编程。此外，文件权限控制机制也相对简单但有效，使用 9 个比特位分别控制文件所有者、所属组和其他用户的读、写、执行权限，后来还引入了 setuid 位以允许普通用户以文件所有者的权限执行程序。

3. Shell 在 Unix 系统中扮演什么角色？

Shell 是 Unix 系统中用户与操作系统交互的主要接口。它是一个普通的用户程序，负责解释用户输入的命令并执行相应的程序。用户通过 shell 输入命令，shell 执行这些命令并在完成后等待下一个输入。Shell 并非操作系统内核的组成部分，这使得用户可以根据需要选择或编写不同的 shell 程序，提供了极大的灵活性。

Shell 的一个重要功能是支持 I/O 重定向和管道（pipes）。I/O 重定向允许将命令的输入或输出连接到文件，而管道（用 | 字符表示）则允许将一个命令的输出直接作为另一个命令的输入，实现多个程序的串联执行，极大地提高了命令组合的能力。例如， ls | wc 命令将 ls 命令的输出（每行一个文件）传递给 wc 命令进行行数统计，从而计算目录中的文件数量。

4. C 语言与 Unix 的关系是什么？

C 语言与 Unix 系统有着紧密的联系，两者可以说是共同演进、互相成就。在 PDP-11 计算机上开发 Unix 时，由于之前的 B 语言不适合字节寻址的 PDP-11，Dennis Ritchie 开始改进 B 语言并为其编写编译器，最终诞生了 C 语言（最初称为 NB，New B）。

C 语言支持与 PDP-11 硬件数据类型相匹配的数据类型（如字节、整数、浮点数），并提供了强大的指针操作能力，这使得它非常适合用于系统级编程，包括编写操作系统本身。Unix 的大部分代码都用 C 语言编写，而 C 语言的许多特性也受到 Unix 开发经验的影响。两者共同构成了 Unix 系统及其开发环境的基础。

5. Yacc、Lex 和 Make 这些工具在 Unix 开发中有什么作用？

Yacc (Yet Another Compiler-Compiler)、Lex (Lexical Analyzer generator) 和 Make 是 Unix 环境中重要的开发工具，它们都遵循模式-动作（pattern-action）范式，用于简化程序开发过程。

Yacc 是一个编译器-编译器，用于根据语言的语法规则生成解析器程序。它接受语言的语法定义和与之相关的语义动作，并生成一个 C 语言程序，该程序能够解析输入并执行对应的语义动作。Yacc 极大地简化了编写编译器和其他需要解析输入语言的程序的过程。

Lex 是一个词法分析器生成器，与 Yacc 配合使用。它根据正则表达式模式识别输入中的“词法单元”（如保留字、变量名、运算符等），并生成一个 C 语言程序，该程序能够从输入流中提取这些词法单元。

Make 是一个构建自动化工具，用于管理多文件程序的编译和链接过程。它读取一个描述文件依赖关系的配置文件，根据文件的修改时间确定需要重新编译和链接哪些文件，并只执行必要的步骤，以保证最终程序是最新的。Make 极大地提高了开发效率，特别是在大型项目中。

这些工具通过自动化语言处理和构建过程中的重复任务，为 Unix 开发环境提供了强大的支持，并至今仍在广泛使用。

6. Unix 是如何从一个研究项目走向商业化和广泛应用的？

Unix 最初在贝尔实验室内部使用，用于支持专利申请等工作，后来开始向大学授权（通常是第六版），收费 nominal。由于 AT&T 不提供商业支持，大学用户被迫自行维护和改进系统，这促进了用户群体的形成和 Usenix 等用户组织的出现，分享经验和代码。

大学授权（尤其是加州大学伯克利分校的 BSD 版本）和用户社区的活跃 contributed 到 Unix 的传播和发展。然而，AT&T 后期试图将 Unix 商业化，成立了 USL (Unix System Laboratories) 并发布了 SVR4 等版本。商业化过程带来了商标问题（UNIX™）和“Unix Wars”等争议，不同版本的 Unix 在市场上竞争。

尽管商业化过程中存在波折，Unix 的核心思想和技术（如文件系统、shell、管道、工具集等）影响深远。最终，独立开发的类 Unix 系统（如 Minix 和 Linux）的出现，摆脱了商业限制，并在开源社区的推动下获得了巨大的成功，成为现代计算基础设施的重要组成部分。

7. Unix 的主要技术遗产有哪些？

Unix 的技术遗产是巨大的，它引入了许多至今仍然影响着计算机科学和软件工程的概念和实践：

文件系统：简单的层次结构、将设备视为文件以及灵活的权限控制。

Shell 和命令行工具：强大的命令行接口、I/O 重定向和管道，以及大量功能单一但可以组合使用的工具（如 grep, sed, awk 等），体现了“小工具，大用途”的理念。

C 语言：一种强大的、适合系统级编程的通用语言，成为后续许多语言的基础。

开发工具：Yacc, Lex, Make 等自动化工具，简化了程序开发和构建过程。

模式-动作范式：在 grep, sed, awk, Make, Yacc, Lex 等工具中广泛应用，提供了一种强大的数据处理和程序生成方式。

可移植性：随着时间的推移，Unix 逐渐实现了跨硬件平台的 portability，打破了硬件锁定。

这些技术遗产不仅体现在 Unix 的各种后代系统（如 Linux, macOS, BSD 等）中，也 deeply 影响了其他操作系统的设计和软件开发的实践。

8. Unix 的成功是否可能被复制，未来技术发展的趋势是什么？

关于 Unix 的成功是否可以复制，这是一个复杂的问题。书中提到，伟大的想法通常来自个人。Ken Thompson 和 Dennis Ritchie 等少数核心开发者的贡献是 Unix 早期成功的关键。他们的技术洞察力和创造力， coupled with 贝尔实验室宽松的研究环境，促成了 Unix 的诞生和早期发展。

然而，复制这种成功是困难的。当今的软件开发环境更加复杂，竞争激烈。但书的作者仍然对未来持乐观态度，认为伟大的想法仍将来自个人。关于未来的技术发展趋势，虽然书中没有给出明确预测，但可以 inferred 的是，对简单、强大工具的需求仍然存在，模式-动作范式和领域特定语言（little languages）等思想可能在新的应用领域继续发挥作用。同时，开源社区在推动软件发展方面的重要性也日益凸显，这与 Unix 早期在大学和用户群体中的传播模式有相似之处。

Unix 开发主要事件时间线

1956年: 贝尔实验室的科学家因发明晶体管获得诺贝尔物理学奖。

1960年代-1980年代: 贝尔实验室约有3000人。

1966年夏天: 作者作为实习生在MIT接触到Jerry Saltzer的Runoff程序，这是一个简单的文本格式化程序。

1967年左右: 作者在普林斯顿大学读研期间，第一次见到Stu Feldman，当时Stu是普林斯顿的本科生，同时兼职为贝尔实验室的Multics项目工作。

1968年夏天: Richard Hamming获得ACM图灵奖。

1969年: Unix起源于一个为了测试磁盘吞吐量的文件系统实现。Ken Thompson意识到它接近一个分时系统，缺少exec调用、shell、编辑器和汇编器。他决定在妻子Bonnie去圣地亚哥探亲期间，用三周时间编写这三个程序。

1969年: Multics项目未能实现其目标，贝尔实验室撤回参与。

1969年: Peter Neumann在一次午餐时建议Ken Thompson应该把他的单用户系统变成多用户系统，并随口提到了“阉割的Multics”（castrated Multics）的概念，即UNICS。

1969年: Daniel Bobrow编写了Tenex操作系统，用于PDP-10。

1971年: Unix 第一版发布。