Linux操作系统

定义

Linux操作系统指以Linux内核为核心、配合系统工具与应用软件构成的一类计算机操作系统。严格地说,Linux一词最初只指林纳斯·托瓦兹在1991年编写的那个内核,而一个可用的系统还需要Shell、编译器、库与各类应用才能运转^[4]。因此日常所说的Linux操作系统,通常是指内核与大量自由软件打包后的完整软件环境,亦即发行版^[5]。

在结构上,这类系统一般包含4个部分:管理硬件与进程的内核、作为用户与内核之间命令解释界面的Shell、组织存储的文件系统,以及文本编辑器、编译器等应用程序^[6]。它采用类Unix的设计,遵循POSIX等接口规范,能够运行主要的Unix工具软件、应用程序和网络协议^[7]。

原理

内核是系统的核心程序,负责为应用程序提供访问裸设备的抽象层,并调度进程占用处理器、管理物理内存与交换空间、拦截对外设的直接访问、保护文件不被越权读取^[1]。用户程序通过系统调用请求内核服务,而不直接操作硬件;Shell则把用户输入的命令转交内核执行,本身也可作为编程语言使用^[5]。

系统启动一般分为几个相继的阶段:固件引导、引导程序加载、内核初始化,最后由1号进程完成用户态环境与服务的启动^[5]。

在内核版本管理上,版本号形如r.x.y,其中x为偶数表示稳定版、奇数表示开发版,y为修补次数;稳定版在部署中只修正错误和补充驱动,开发版则用于试验新方案^[6]。

发展历程

其思想源头可追溯到1969年至1971年间贝尔实验室研发的Unix;1984年,理查德·斯托曼发起GNU项目,目标是构建一套自由的类Unix系统,产出了gcc编译器、bash Shell与Emacs编辑器等工具^[1]。1987年,安德鲁·塔能鲍姆为教学编写了简化的类Unix系统MINIX,并公开源代码;由于它限制修改、更新缓慢,社区需要一个可自由改进的系统^[8]。

1991年,赫尔辛基大学学生林纳斯·托瓦兹在个人电脑上编写了一个类MINIX的内核,并于当年8月25日与10月5日先后在网络讨论组中公布消息、放出0.02版,当时代码约1万行^[9][10]。他原本倾向以Freax命名,是负责文件服务器的阿里·莱姆克把目录取名为Linux,这一名称随后沿用下来^[4]。

早期内核采用作者自拟的许可条款,限制商业发行;1992年,托瓦兹将内核改用GNU通用公共许可证,首个以GPL发布的版本为0.99,此后修改与再发布须继续开放源代码^[4]。2000年前后,他明确内核采用GPL第2版且不含「或更高版本」条款;2007年GPL第3版发布后,他与多数内核开发者决定不予采用^[4]。

发行版在1990年代陆续出现:1993年创建Debian,1994年Red Hat推出商业发行版,1997年与1999年分别出现KDE和GNOME桌面环境,2002年Arch采用滚动更新模式,2004年Canonical公司基于Debian推出Ubuntu^[1]。1996年,托瓦兹宣布以企鹅作为系统吉祥物,由拉里·尤因绘制初稿,名称定为Tux^[4]。

应用

服务器与云计算是其主要阵地。Linux基金会2021年公布的数据显示,全球排名前100万的服务器中约96%运行Linux,约90%的云基础设施构建在其之上^[3]。2021年度的统计还显示,全球500台最快超级计算机全部使用Linux系统^[3]。

在移动与嵌入式领域,基于Linux内核的Android是智能手机的主流系统;Linux基金会的数据显示约85%的智能手机运行以Linux为基础的安卓系统^[3][11]。由于资源占用较少,该系统也广泛用于路由器、智能家居与车载控制器等设备^[11]。

桌面计算同样是其应用方向之一,Ubuntu、Linux Mint等发行版面向个人用户提供图形界面与办公、多媒体软件^[12]。在开发与运维场景中,命令行与软件包管理工具承担部署、升级与排障工作^[5]。

局限

桌面端的普及程度长期低于服务器端。多数个人电脑出厂预装Windows,影响了Linux在客户端市场的份额^[13]。硬件驱动与商业软件的支持范围也不如Windows完整,部分游戏与专业软件缺少对应版本^[7]。

使用门槛体现在操作方式上:系统以命令行字符界面为主要管理方式,不熟悉命令的用户上手困难;不同发行版在包管理、配置路径上存在差异,跨发行版的通用文档有限^[7]。

内核规模的增长也带来维护与安全问题:代码量从最初约1万行扩张到千万行量级,驱动程序占据其中大部分,缺陷排查与兼容性维护的负担随之上升^[9]。此外,内核模块在不同版本间的接口并不稳定,为某一版本编译的驱动在升级后常常需要重新适配^[14]。

参见

• 林纳斯·托瓦兹 —— Linux内核的最初作者,系统名称的来源。

• Unix —— Linux在设计与接口上借鉴的分时操作系统。

• GNU —— 提供编译器、Shell等基础工具的自由软件项目。

• Linux内核 —— 承担硬件管理与进程调度的系统核心。

• Android —— 以Linux内核为基础的移动操作系统。

• Debian —— 1993年创建、衍生出多个发行版的社区发行版。