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計算器曾經(jīng)是真實器物，后來成了手機應用。與之相比，計算機本質(zhì)上沒有特別多不同之處。計算機如今能以高達每秒十億次的極快速度做算術[1]，但在20世紀70年代，運算速度遠遠低于每秒百萬次。
20世紀60年代和20世紀70年代典型的計算機有一個由數(shù)十種指令組成的指令集，它可以執(zhí)行：算術（加、減、乘、除），從主存儲器中讀出信息，將信息保存到主存儲器，以及與磁盤或其他連接設備通信。另外還有一件至關重要的事：其中有一些指令負責依據(jù)之前的計算結果，即已做完的事，決定后續(xù)執(zhí)行什么指令——這決定了計算機下一步做什么。這樣一來，計算機就掌控了自己的命運。
指令和數(shù)據(jù)存放在同一個主存儲器中，這個主存儲器通常被叫作RAM，也就是“隨機存儲器”（random access memory）。將一系列指令裝載到RAM，計算機就會根據(jù)指令內(nèi)容執(zhí)行不同任務。這就是你點擊Word或Chrome瀏覽器圖標時發(fā)生的事——操作系統(tǒng)將那個程序的指令裝入內(nèi)存，開始運行。
使用某種編程語言，為執(zhí)行某項要完成的任務創(chuàng)建操作序列，這就是所謂的編程。直接創(chuàng)建所需指令是有可能的，但這項工作實在繁難，哪怕是寫很小的程序也是如此，所以編程領域的大部分進步都與創(chuàng)造接近人類表達計算方式的編程語言有關。稱為編譯器的程序（當然得先把它寫出來）將高級語言（接近人類語言）翻譯為針對特定類型計算機的指令序列。
歸根結底，如同Word或瀏覽器等普通程序一樣，操作系統(tǒng)也是由那些指令構建而成的，只是它更為龐大和復雜。操作系統(tǒng)的任務是控制所有其他要運行的程序，并管理它們與計算機其他部分的交互。
這樣講太抽象了，用一個具體的小例子來說明什么是編程吧。假設我們想根據(jù)矩形的長和寬計算其面積。用人類語言可以這樣說：“面積是長和寬的乘積。”學校教師會在黑板上寫出面積計算的公式：
面積 = 長×寬
使用較高級別的編程語言時，我們會這樣寫：
area = length * width
這就是今天大部分主流編程語言中的確切形式。編譯器將其翻譯為人類仍然可讀但主要面向計算機的機器指令序列。在一臺虛構的簡單計算機上，該序列大概像下面這樣：
load length multiply width store area最終，稱為匯編器（assembler）的程序把該序列轉(zhuǎn)換為人類不易讀懂的指令。這些指令能夠被載入計算機的主存儲器。執(zhí)行時，它們根據(jù)長和寬算出面積。當然這里沒談及很多細節(jié)（如何指定編譯和加載，如何讓長和寬的數(shù)值進入計算機，如何輸出面積數(shù)值，等等），但本質(zhì)大抵如此。
如果你想看看可工作的示例，以下這段完整的C語言程序輸入長和寬，輸出面積：
void main() { float length, width, area; scanf('%f %f', &length, &width); area = length * width; printf('area = %f\n', area); }這段程序能在任意一臺計算機上編譯和執(zhí)行。
每個人都至少知道Windows或macOS這些現(xiàn)代操作系統(tǒng)的名字，手機上運行的是Android和iOS等操作系統(tǒng)。
操作系統(tǒng)是控制計算機的程序，它給正在運行的程序分配資源。它管理主存儲器，當運行中的程序有需要時，將主存分配給它們。在臺式計算機或筆記本式計算機上，操作系統(tǒng)讓你能夠同時運行瀏覽器、文字處理器、音樂播放器，或許還有我們的面積計算小程序，并且按需任意切換到其中之一。
操作系統(tǒng)也控制顯示，在收到程序請求時，使其在屏幕上可見。它還管理磁盤之類存儲設備，當你保存Word文檔時，文檔就會被存下來，以備之后恢復并繼續(xù)工作。
操作系統(tǒng)還負責協(xié)調(diào)與互聯(lián)網(wǎng)之類的網(wǎng)絡進行通信，這樣你就能用瀏覽器搜索、與朋友聯(lián)絡、購物、分享寵物貓視頻，一切齊頭并進。
在程序發(fā)生錯誤時，操作系統(tǒng)保護其他程序不受影響，還要防止有害程序或用戶誤操作對系統(tǒng)自身造成的危害。
手機上的操作系統(tǒng)也是如此工作的。在底層，需要做許多動作來維持經(jīng)由移動網(wǎng)絡或無線網(wǎng)絡的通信。雖然細節(jié)常有不同，但手機應用與Word這樣的程序在概念上完全一樣，并且用同樣的編程語言編寫。
現(xiàn)今的操作系統(tǒng)程序體量龐大，紛繁復雜。在20世紀60年代，它簡單得多，但相對于同時代的其他程序，它還是既龐大又復雜。一般而言，IBM或DEC（Digital Equipment Corporation，美國數(shù)字設備公司）等計算機制造商為各種不同硬件提供操作系統(tǒng)。每個制造商生產(chǎn)的硬件全無共通之處，有時甚至來自同一廠商的硬件都會有很大不同，所以操作系統(tǒng)也各自不同。
更加麻煩的是，操作系統(tǒng)用匯編語言寫成。匯編語言是人能讀懂的機器指令，與特定類型硬件的指令集緊密相關。每種計算機都有自己的匯編語言，所以操作系統(tǒng)是龐大且復雜的匯編語言程序，每個操作系統(tǒng)都針對特定硬件、使用特定語言編寫。
系統(tǒng)之間缺乏共通性，使用相互不兼容的低級語言，導致同時需要多個版本的程序：為某一操作系統(tǒng)編寫的程序，在移植到其他操作系統(tǒng)或硬件架構上時，必須完全重寫。這種狀況阻礙了進步。如后文所述，Unix操作系統(tǒng)在所有類型的硬件上都保持一致，而且用較高級的語言寫成，只需付出相對較少的成本，即可從一種計算機移植到另一種計算機。
貝爾實驗室退出Multics項目后，項目組成員得找其他事來做。肯·湯普森（圖2-2）還是想做操作系統(tǒng)，但實驗室管理層被Multics傷透了心，不肯給操作系統(tǒng)項目買硬件。肯和其他人只能紙上談兵，設計操作系統(tǒng)的各種組件，無法開展具體的實現(xiàn)工作。
圖2-2 肯·湯普森，約1981年
（杰勒德·霍爾茲曼供圖）
恰在此時，肯找到一臺沒怎么用過的DEC PDP-7計算機。這種計算機的主要功能是做電路設計的輸入設備。
PDP-7于1964年推出，但計算機領域演進太快，到了1969年，它已經(jīng)過時。這臺機器本身不算很強大，只有8K（8192）個18位字長的內(nèi)存（16 KB），但其圖形顯示非常漂亮，所以肯就為它寫了個太空旅行游戲。在這個游戲里，玩家可以漫游太陽系、探訪各個行星。這個游戲有點讓人上癮，我玩了好幾個小時。
PDP-7還有一個好玩的外設——磁盤驅(qū)動器高聳，直直架著一塊磁盤。據(jù)傳，萬一盤片飛出來，站在它前面的人就有可能遇險。磁盤運轉(zhuǎn)速度遠高于計算機讀寫速度。為了解決這個古怪的問題，肯寫了個磁盤調(diào)度算法來提升磁盤的總吞吐量。這個算法在任意磁盤上都可用，但主要是為PDP-7的這塊磁盤設計的。
如何測試這個算法呢？這需要往磁盤上裝載數(shù)據(jù)，肯認為他需要一個批量寫數(shù)據(jù)的程序。
“在某一時刻，我發(fā)現(xiàn)離實現(xiàn)一個操作系統(tǒng)僅有3周之遙了?！彼枰獙懭齻€程序，每周寫一個：用來創(chuàng)建代碼的編輯器；將代碼轉(zhuǎn)換為PDP-7能運行的機器語言的匯編器；再加上“內(nèi)核的外層——操作系統(tǒng)齊活了”。
正在那時，肯的太太休了3周假，帶著一歲大的兒子去加利福尼亞探望公婆，這樣肯就有了3周不受打擾的工作時間。正如他在2019年一次采訪中所說，“一周，一周，再一周，我們就有了Unix?！睙o論以何種方式來度量，這都體現(xiàn)了真正的軟件生產(chǎn)力。
肯和我都從貝爾實驗室退休幾年之后，我問他3周內(nèi)寫出Unix是否屬實。下面是他回復郵件的原文，談到的情況和最近那次采訪完全一致。
1969年年中至年末，有明確Unix特征的系統(tǒng)就已在運行，可以說那就是Unix誕生的時間了。
日期：2003年1月9日，星期四，13:51:56-0800
Unix是用來測試吞吐量之類的文件系統(tǒng)實現(xiàn)。實現(xiàn)出來之后，我發(fā)現(xiàn)很難用數(shù)據(jù)給它加上負載。我可以在循環(huán)中調(diào)用讀/寫操作，但做不了更復雜的事。這就是邦妮（Bonnie）去圣迭戈（San Diego）探望我父母時，我面臨的狀況。
我認為它已經(jīng)很接近分時系統(tǒng)了，只是還缺少執(zhí)行調(diào)用（exec call）、shell、編輯器和匯編器。（沒有編譯器）執(zhí)行調(diào)用手到擒來。其他三個每周做一個——加起來正好是邦妮在那邊待的時間。
計算機內(nèi)存有8k×18位。4k做內(nèi)核，4k供用戶程序換入換出。
肯
早期系統(tǒng)有一小群用戶，其中當然包括肯和丹尼斯，還有道格·麥基爾羅伊、鮑勃·莫里斯、喬·奧桑納，以及撞了大運一般的我。每位用戶都有一個數(shù)字身份編號。有些編號代表系統(tǒng)功能而非人類用戶，例如根（root）用戶，或者說超級用戶，身份編號為0，此外還有一些特殊編號。人類用戶的編號從4開始。我記得丹尼斯是5，肯是6，我是9。在初版Unix系統(tǒng)中擁有個位數(shù)用戶身份編號，大概也算略具聲望了。
新PDP-7操作系統(tǒng)誕生沒多久，就得了一個名字，但具體過程不得其詳。
我記得自己站在辦公室門口，和幾個人討論，其中好像有肯、丹尼斯和彼得 · 諾伊曼。那時系統(tǒng)還沒名字。（如果我記憶準確的話）我提議，從拉丁詞根看，Multics意圖提供“包羅萬象”的功能，而新系統(tǒng)頂多擇一而從，應該拿uni來替代multi[3]，叫它“UNICS”。
也有人說，UNICS這個名字是彼得·諾伊曼想出來的，代表“毫不復雜的信息與計算服務”（UNiplexed Information and Computing Service）。彼得回憶說：
“我記得很清楚，有天早上，肯過來吃午飯，說他通宵為邁克斯·馬修斯（Max Matthews）借他用的PDP-7寫了一個數(shù)千行代碼的單用戶操作系統(tǒng)內(nèi)核。我建議他改為多用戶系統(tǒng)，第二天他來吃午飯時，果然已經(jīng)寫出了支持多用戶內(nèi)核的數(shù)千行代碼。正是那個單用戶內(nèi)核啟發(fā)了UNICS的'閹割版Multics’概念。”
彼得自謙地說記不起更多細節(jié)，所以，無論是否應當，我都獨占了為系統(tǒng)命名的榮耀。
UNICS后來變成了Unix，這名字顯然更好。（據(jù)傳，AT&T的律師們不喜歡Unics這個詞，因為它音近eunuchs[4]。）丹尼斯·里奇后來形容這個名字“正中Multics要害”，的確如此。
2019年5月，在新澤西州沃爾鎮(zhèn)舉辦的美國東部復古電腦節(jié)上，我和肯做了一次非正式的“爐邊談話”。我負責提幾個問題，然后安坐傾聽。以下內(nèi)容部分來自那次活動，讀者可以在YouTube上找到活動視頻。
肯生于1943年。他父親在美國海軍服役，肯小時候隨軍住過全世界很多地方，包括加利福尼亞、路易斯安那，還有幾年住在那不勒斯。
他喜歡鼓搗電器，后來去加利福尼亞大學伯克利分校讀電子工程。他說，電子學課程確實簡單，因為入學之前他已經(jīng)玩過10年電器。在伯克利分校，他迷上了電子計算。
“我用計算機。我愛計算機。當時，伯克利分校還沒開設計算機科學課程，因為這東西剛嶄露頭角。
“畢業(yè)之后那個夏天，我無所事事。能畢業(yè)實屬驚喜，我都不知道自己居然滿足了那些畢業(yè)的條件要求。
“我只想待在學校，因為……一切盡在掌握。我手藝純熟。午夜時分，學校的'怪獸主機’會關閉。我用自己的鑰匙打開機房，啟動機器，在次日早上8點之前，它就一直是我的個人計算機。
“我很快樂，毫無雄心壯志，是一個沒有目標的工作狂?！?/span>
大學最后一年，肯選了埃爾溫 · 伯利坎普（Elwyn Berlekamp）的課。伯利坎普當時在伯克利分校任教授，后來不久就去了貝爾實驗室。畢業(yè)后那個夏天，肯沒申請讀研，因為他覺得自己還不夠優(yōu)秀。
“到那個夏末，（伯利坎普）說：'你去讀這個研究生班吧。’原來他替我申請了讀研，而且申請通過了!”
1966年，肯拿到伯克利分校的碩士學位。貝爾實驗室和另外幾家公司都想招他，但他明確表態(tài)不想去任何一家公司上班。
招聘官一試再試。如肯所言：“貝爾實驗室問了6~8次，我都拒絕了——也是因為我沒有雄心壯志。貝爾實驗室招聘官敲我家門，我請他進屋。據(jù)他說，我還用姜餅和啤酒招待了他。”（這大概是加利福尼亞的什么古怪減肥飲食吧。）
最后，肯接受邀請，由貝爾實驗室支付旅費，去新澤西看看，但是他只答應去一天，而且主要是為了探訪高中時代就結識的朋友。他到達貝爾實驗室時，被一些名字打動了：
“一到那兒，我就沿計算科學研究中心的走廊漫步，兩邊辦公室門上寫的名字如雷貫耳。太震撼了。面試官是兩位妙人……其中一位是林申。
“次日，我租車出行。他們不知怎么查到了我的行蹤，還在東海岸我停留的第三站留下一份入職邀請書。我拿了那份邀請書，繼續(xù)下一站兩個小時的行程，邊開車邊考慮。一到達朋友家，我就打電話去實驗室，說我接受邀請。”
肯于1966年加入貝爾實驗室，開始做Multics研發(fā)工作，后來又寫了Unix。這些事前面已談過，此處不贅述。
肯對游戲的興趣由來已久。他從小就熱愛國際象棋。他不愿輸棋，但又會替輸了的對手惋惜，所以最終只能做個看客。1971年，他為PDP-11寫了一個國際象棋程序。這路子似乎行得通，于是他著手制作用于加速運算（如算出從指定點開始的合規(guī)走法）的特殊用途硬件。這些工作累積成了Belle項目（圖2-3）。Belle是肯與喬·康登（Joe Condon）從1976年至1980年開發(fā)的國際象棋計算機。
圖2-3 肯·湯普森與喬·康登（計算機歷史博物館供圖）
Belle（圖2-4）賽績驕人。在與人類棋手的常規(guī)比賽中，斬獲2200等級分，成為第一臺榮升國際象棋大師的計算機。它還獲得了1980年世界計算機國際象棋大賽（World Computer Chess）冠軍。在被史密森學會（Smithsonian Institution）收藏之前，它還得過好幾次ACM計算機國際象棋錦標賽冠軍。
圖2-4 Belle國際象棋計算機（計算機歷史博物館供圖）
丹尼斯·里奇曾經(jīng)為國際計算機象棋聯(lián)盟（International Computer Chess Association）寫過一篇短文，介紹肯·湯普森對計算機游戲的貢獻[5]。文章寫道，肯對游戲的廣泛興趣，遠遠不止國際象棋。文章還寫了1978年12月5日Belle在ACM計算機國際象棋錦標賽上擊敗Blitz 6.5的過程。文中引用計算機圍棋先鋒蒙蒂·紐伯恩（Monty Newborn）及國際大師戴維·利維（David Levy）的評論：
1.e4 e5 2. Nf3 Nc6 3. Nc3 Nf6 4. Bb5 Nd4 5. Bc4 Bc5 6. Nxe5 Qe7
7.Bxf7+ Kf8 8. Ng6+ hxg6 9. Bc4 Nxe4 10. O-O Rxh2!! 11. Kxh2 {加速損失} Qh4+ 12. Kg1 Ng3 13. Qh5 {無效拖延} gxh5 14. fxg3+ Nf3# {防住將軍，雙將且將死，難得一見。“截至目前，計算機程序下出的最妙招數(shù)……計算機國際象棋見證了新時代的開始?！眪
國際象棋有贏、輸或和3種終局?！?0步規(guī)則”規(guī)定，如果在50步棋以內(nèi)，沒有吃子，或者兵沒有移動過，則棋手可以提出和局。這條規(guī)則能防止玩家在無法贏棋時干耗時間。
肯決定研究50步是否是合適的數(shù)字。他使用Belle和一些復雜的數(shù)據(jù)庫組織方式來評估所有4子或5子和局，發(fā)現(xiàn)如果采用最佳下法，其中部分棋局可以分出勝負。此時，肯在國際象棋圈已頗有名氣，時不時有特級大師來實驗室與Belle對弈，尤其是下殘棋。我曾經(jīng)只是因為周末剛好在實驗室，就見到了世界冠軍阿納托利·卡爾波夫（Anatoly Karpov）和維希·阿南德（Vishy Anand）。
肯熱愛飛行，常常自己或搭載乘客從莫里斯敦機場起飛，在新澤西上空巡航。在他的影響下，1127中心的其他成員也喜歡上了飛行。高峰時期，“1127空軍”擁有六七名私人飛行員。他們常常飛去看秋葉，或者到有意思的地方吃午飯。道格·麥基爾羅伊回憶說：
“除了去新英格蘭看秋葉，'1127空軍’還去阿迪朗達克山觀賞過月食。感謝肯駕駛飛機，羅布·派克提供望遠鏡。還有一次飛行是去觀測水星凌日。Unix組員為天文研究所做的貢獻從喬·奧桑納寫的azel[6]開始，這個程序用來控制'電星一號’（Telstar）的地面站，追蹤人造衛(wèi)星位置。然后是鮑勃 · 莫里斯寫的sky程序，還有肯寫的天體事件預測器、李·麥克馬洪（Lee McMahon）用我的map程序畫了星圖，最后是羅布寫的scat天體目錄程序?！?/span>
1992年12月，肯和弗雷德·格蘭普（Fred Grampp）到莫斯科駕駛一架米格29戰(zhàn)機，比他們平時開的賽斯納飛機更上一層級。圖2-5和圖2-6展示了肯起飛前和落地滑行的情形。
圖2-5 肯·湯普森準備起飛（cat-v供圖）
圖2-6 肯·湯普森降落滑行（cat-v供圖）
肯和我都于2000年年末從貝爾實驗室退休。我去了普林斯頓大學，他加入貝爾實驗室同事創(chuàng)辦的恩智斐（Entrisphere）公司。2006年，他加入谷歌公司，和羅布·派克及羅伯特·格里塞默（Robert Griesemer）一起發(fā)明了Go語言。我聽說他離開Entrisphere公司加入谷歌公司，去信詢問詳情。他回郵件說：
日期：2006年11月1日，星期三，16:08:31 -0800
主題：回復：舊時來聲
是真的。我沒有改變谷歌員工年齡中位數(shù)太多，但我想確實拉高了年齡平均線。
肯
本文摘自《UNIX傳奇：歷史與回憶》
《UNIX傳奇》[美] 布萊恩·W.克尼漢（Brian，W.，Kernighan） 著
自1969年在貝爾實驗室的閣樓上誕生以來，Unix操作系統(tǒng)的發(fā)展遠遠超出其創(chuàng)造者們的想象。它帶動了許多創(chuàng)新軟件的開發(fā)，影響了無數(shù)程序員，改變了整個計算機技術的發(fā)展軌跡。
本書不但書寫Unix的歷史，而且記錄作者的回憶，一探Unix的起源，試圖解釋什么是Unix，Unix是如何產(chǎn)生的，以及Unix為何如此重要。除此之外，本書以輕松的口吻講述了一群在貝爾實驗室工作的發(fā)明天才的有趣往事，本書中每一個故事都是鮮為人知卻又值得傳播的寶貴資源。
本書適合對計算機或相關歷史感興趣的人閱讀。讀者不需要有太多的專業(yè)技術背景，就可以欣賞Unix背后的思想，了解它的重要性。
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