Linux内核编程——GNU/Linux 内核的历史引言本章介绍了Linux内核的起源与功能演变，旨在帮助读者不仅理解

引言

本章介绍了Linux内核的起源与功能演变，旨在帮助读者不仅理解内核是什么，还能了解其结构是如何发展的。

章节结构

本章涵盖以下内容：

灵感来源
Linux内核历史
各版本/里程碑功能的演进
GNU/Linux的许可协议

目标

本章是理解Linux来源、历史以及为何要学习这一操作系统的重要序言。Linux因其开源代码、稳定性和性能而闻名。读完本章后，你将对Linux内核有一个整体的认识。Linux内核的创造者Linus Torvalds并非完全从零开始发明，而是受到当时已有技术的启发，因此了解这些灵感来源有助于更好地理解内核。

灵感来源

上世纪60至70年代，Unix是AT&T贝尔实验室开发的操作系统，以其模块化设计、稳定性和高效性著称。Unix（常大写为UNIX，尤其作为官方商标时）诞生于1969年，是贝尔实验室推出的交互式分时系统。

“Unix”一词是通过组合“uniplexed”（单一）与“multics”（早期操作系统项目）而来的双关语。Unix是Multics系统的继任者。

Ken Thompson和Dennis Ritchie被认为是Unix的发明者。

1974年，Unix成为首个使用C语言开发的操作系统。Linux内核创始人Linus Torvalds在大学期间使用Unix，并受到Unix多用户、多任务和资源管理概念的启发（见图1.1）。下图展示了Unix系统的同心圆视图，也称洋葱模型：

Unix 通常被认为基于洋葱模型。

Unix 系统提出的这个模型是分层的，从硬件开始，经由内核控制，最后到达用户。内核负责管理硬件及各种提供实用工具的软件。下图展示了洋葱模型的纵向视图：

Unix 系统架构的整体轮廓与实际的 Linux 系统相似。

正如我们将要探讨的，Linux 发行版众多，且相互借鉴。Unix 系统也是如此，因为提到 Unix 系统（对于那些了解它们的人来说），我们会想到 IBM AIX、HP UX、Irix、Solaris、UnixWare、Ultrix、Microsoft Xenix、SCO Unix、Net/OpenBSD 等众多系统。

所有这些系统各自发展演变，并以不同方式推动了现代操作系统的发展。下图展示了当时常见的众多 Unix 系统版本，而这些系统大多已被今天的 Linux 系统所取代：

1972年第二版Unix中的许多命令至今仍在Linux中使用。

另一个灵感来源是Minix（意为“小型Unix”），这是一款教育和实验性质的操作系统，由Andrew S. Tanenbaum（又称AST）于1984年为学生设计，用以拆解真实操作系统。实际上，AT&T禁止将Unix用于教育目的，也禁止其用于教学。

MINIX是用C语言编写的微内核，旨在重新实现Unix第7版（V7）。它设计用于配备256KB内存、360KB 5.25英寸软盘的IBM PC。相比Unix，MINIX采用了更模块化的结构，从用户角度来看兼容Unix，但内核实现完全不同。

其目标是提供一个开源、结构清晰、易于学生理解的设计；核心是一个小型微内核，操作系统的其余部分由用户进程组成，通过同步消息传递进行通信。许多基本程序如cat、grep、ls、make等以及shell均存在并执行与Unix相同的功能。

MINIX需要20MB硬盘分区。由于设计注重可读性，MINIX效率不及Unix。下图清晰展示了控制器在用户空间的定位，没有内核的设计，而Linux随后会认为这是效率低下的做法：

内核是操作系统的核心部分，负责管理系统资源。它就像应用程序与计算机硬件之间的桥梁。在单体内核（monolithic kernel）架构中，用户服务和内核服务都运行在同一个地址空间内。

Linus Torvalds 曾在 Minix 项目中工作过一段时间，积累了操作系统设计的实践经验。但他发现 Minix 在性能和功能上存在限制，这激励他创建自己的内核，几年后诞生了 Linux 内核。最初版本由于散热问题，运行一小时后会崩溃。

我们不应忘记另一个对 Linux 内核发展至关重要且较新的灵感来源，这也是 Linux 内核现有名称的由来——GNU/Linux，源于其所遵循的GPL许可权利。

GNU 是由 Richard Stallman 于1983年创建的自由操作系统（如图1.5所示），由 GNU 项目维护。GNU涵盖了Unix的理念和运行机制。该项目已有一个名为 HURD 的内核，这名字是个双关语，意指“herd”（一群动物），体现了摆脱Unix单体内核模型的愿望。HURD 与 Linux 竞争，但最终被 Linux 所掩盖。

Linus Torvalds 使用了 GNU 项目（GNU’s Not Unix，简称 GNU）提供的开发工具。GNU 项目是由 Richard Stallman（简称 RMS）于1983年发起的，旨在创建一个完全自由且开源的操作系统。

虽然 Linux 本身并非 GNU 项目的一部分，但它与 GNU 工具结合，构建成了一个完整的操作系统，因此被称为 GNU/Linux。GNU 工具在 Linux 早期开发中发挥了关键作用。

正如我们所见，Linux 并非凭空诞生，而是汲取了当时已有技术的灵感，但其创造者 Linus Torvalds 知道如何构建一个单体内核，兼顾其优点并避免其他内核的缺点。因此，Linux 可以被视为70、80年代被认为是前卫且现代的各种理念的融合。与 Minix 不同，下图清晰展示了大量控制器被移入内核地址空间的变化：

Linus Torvalds 受到了开源和代码共享理念的影响。他选择将内核源码以 GNU 通用公共许可证（GPL）发布，鼓励全球开发者的协作与贡献。

这些理念促成了 Linux 内核的诞生，Linux 内核在开发过程中秉持开源原则、模块化设计和高效性。它基于现有 UNIX 系统的最佳实践，同时不断引入创新和改进。

Linux内核历史

很久以前，有一个名为Linux的项目，于1991年在赫尔辛基大学启动，起初是芬兰人Linus Torvalds基于自己的论文而开展的个人项目，旨在创建一个新的单体免费操作系统内核。

他专门为自己使用的硬件编写了程序，且独立于任何操作系统，因为他希望利用自己配备80386处理器的新PC的功能。开发工作是在MINIX系统上，使用GNU C编译器完成的。

自1991年首次发布源码以来，Linux内核经历了持续稳步的发展。从最初只包含少量受许可限制且禁止商业分发的C语言文件，到2018年发布的4.15版本，源码行数超过2330万行（不含注释），代码依然遵循GNUv2许可协议。

1991年4月，时年21岁的芬兰赫尔辛基大学计算机科学学生Linus Torvalds开始为个人电脑着手开发一个受Unix启发的操作系统的简单构想。项目最初是基于Intel 80386汇编语言实现的任务切换器和终端驱动。

1991年7月3日，为了在项目中实现Unix系统调用，Linus Torvalds向comp.os.minix新闻组提交请求，试图获取POSIX标准文档的电子版，但未能找到。他于是先根据大学拥有的SunOS文档确定系统调用，以操作Sun Microsystems服务器，并从Tanenbaum的MINIX教材中学习部分系统调用，这本教材是Unix课程的一部分。

1991年8月25日，Torvalds在Usenet新闻组comp.os.minix发布了如下内容：

大家好，使用minix的朋友们——
我正在开发一个（免费）操作系统（仅仅是业余爱好，不会像gnu那样大且专业），面向386（486）AT兼容机。从四月开始筹备，现在开始成型。我希望听到大家对minix喜欢或不喜欢的地方，因为我的操作系统与它有些相似（例如文件系统的物理布局相同，这是出于实用考虑）。
我目前已移植了bash（1.08）和gcc（1.40），运行情况不错。这意味着几个月内我会有一个实用的版本，我想知道大家希望它具备哪些功能。欢迎提出建议，但我不能保证一定会实现。
对了——这完全没有使用minix代码，且具有多线程文件系统。但它不可移植（使用386任务切换等），可能永远只支持AT硬盘，因为我只有这一套硬件。
— Linus Torvalds

1991年9月17日，Torvalds发布了Linux 0.01版本，并将其上传到芬兰大学与研究网络（FUNET）的ftp.funet.fi FTP服务器。该版本不可执行，因为代码需要MINIX编译和测试。

1991年10月5日，Torvalds宣布发布Linux第一个官方版本0.02。此时，Linux能够运行Bash、GCC和一些GNU实用工具：

正如我一个月前提到的，我正在开发一个类似Minix的免费系统，针对AT-386电脑。现在它已经达到可以使用的阶段（虽然功能取决于需求），我愿意发布源码以供更广泛传播。它只是0.02版本……但我已成功运行bash、gcc、gnu-make、gnu-sed、compress等程序。

尽管最初版本功能有限，Linux 很快赢得了开发者和用户的青睐。许多人为该项目贡献了代码，其中包括一些来自 MINIX 社区的开发者。

在 0 版本中，Linux 明确表示主要用于测试，而非生产使用。1991 年 12 月发布的 0.11 版本是首个自举（self-hosted）版本，因为它能够在运行相同内核的计算机上编译自身。

据 Torvalds 说，Linux 在 1992 年开始崭露头角，这得益于 Orest Zborowski 将 X Window 系统移植到 Linux，使 Linux 首次支持图形用户界面（GUI）。Linux 长期以来一直是一个只能通过命令行使用的系统，就像当年的 MS-DOS 系统一样，X Windows 最终为 Linux 系统带来了图形界面，这使得 Linux 得以广泛普及：

正是从那时起，Linux 的历程开始了，催生了越来越多的发行版。正如我们在Unix版本时间线上看到的，这些发行版彼此相互借鉴，融合了最优秀的特性，打造出现今我们所拥有的最佳系统。

如今，Linux（如图1.9中绿色部分所示）已跻身 *nix 系统中最重要的名字之列：

这也是一场在当今各种发行版之间的冒险。有些发行版曾风光一时，如今已不复存在；而另一些则持续发展至今，如下图所示：

按版本/里程碑的功能演进

了解Linux内核功能发展的不同阶段非常重要，这有助于理解它是如何随着时间演变的。以下各节将详细介绍Linux内核各版本的重要特点。

早期开发（1991-1993）

重要发展包括：

1991年：Linus Torvalds宣布Linux项目。
1992年：首次公开发布Linux 0.01，仅支持Intel 386处理器。
1993年：Linux 0.99.1在GNU GPL许可下发布，标志着项目正式开源。

GNU/Linux内核的早期版本，如Linux 0.01和0.99，功能非常有限，相较后期版本较为简陋。这些早期版本更像概念验证，主要提供基础操作系统的核心功能。早期Linux内核的一些关键特性包括：

基础硬件支持：主要支持Intel 386架构，重点是让内核能在该硬件上运行。
多任务处理：Linux 0.01引入了基本多任务，允许多个进程同时运行。
内存管理：包含分页和进程内存分配等基础内存管理，但远不及后期高级内存管理。
文件系统：实现了简单文件系统，但缺乏后续版本丰富的文件系统支持。
Shell及基本工具：包括简单Shell和少量基本工具，用于系统交互。
无网络支持：早期版本不支持网络，后续逐步添加。
无模块支持：尚未引入可加载内核模块的概念。

这些版本功能和硬件支持受限，主要作为Linus Torvalds的业余项目，有意保持简单以便管理开发。后续版本增加了众多功能，扩展了硬件支持，提高了性能，使Linux成为多用途且强大的操作系统。

内核版本1.0（1994）

1994年发布Linux 1.0，标志着稳定性和成熟度。虽未引入革命性特征，但这一里程碑意味着Linux具备了更广泛应用的可靠性和稳健性，赢得用户和软件社区的信任。同时，它作为专有Unix类系统的可行且稳定替代方案，吸引了更多开发者、企业和组织，促进了Linux生态系统的快速发展。

内核版本2.0（1996）

1996年发布Linux 2.0，带来了更好的硬件支持和性能提升。主要特点包括：

扩展硬件支持：支持更多硬件平台和设备，提高可访问性。
对称多处理（SMP）：支持多处理器系统，大幅提升多CPU机器的可扩展性和性能。
改进网络功能：增强网络能力，适合服务器应用，改进TCP/IP协议栈和网络设备支持。
优化内存管理：提升系统内存利用率和性能。
虚拟文件系统（VFS）：引入VFS层，支持多种文件系统（如ext2、NFS等）灵活集成。
增加文件系统支持：新增ext2作为默认文件系统。
提升系统稳定性：适应更广泛的生产环境。
内核模块改进：支持动态加载卸载内核组件，无需重编译。
软件兼容性增强：更好支持各种软件，吸引更多开发者和用户。

Linux 2.0为内核发展迈出重要步伐，增强了能力，使其成为服务器和桌面领域成熟可靠的选择，奠定了Linux持续增长的基础。

内核版本2.2（1999）

1999年发布Linux 2.2，提升稳定性、性能及硬件支持，显著优于前一版本。关键特性：

稳定性与漏洞修复：大量修复及改进，增强可靠性。
硬件支持扩展：兼容更多处理器、芯片组和外设。
网络功能提升：支持更多网络设备和协议，增强性能和可扩展性。
高级文件系统：引入日志文件系统ext3，增强文件系统鲁棒性和崩溃恢复能力。
内核抢占：支持内核抢占，提高响应性和实时应用支持。
USB支持：初步支持USB设备，奠定未来扩展基础。
可扩展性提升：性能优化，适应复杂工作负载和企业环境。
PCMCIA支持：改进对笔记本等设备的支持。
内存管理优化：改进内存分配与利用。
内核模块完善：持续完善动态加载系统。

Linux 2.2巩固了Linux作为稳定高性能操作系统的地位，改进的硬件支持和稳定性吸引了更多用户和开发者，是后续内核发展的跳板。

内核版本2.4（2001）

2001年发布Linux 2.4，内存管理和文件系统支持有显著提升。主要特点：

先进内存管理：支持大量内存和改进虚拟内存处理。
扩展页表（高内存支持）：允许32位系统访问超过1GB物理内存。
SMP可扩展性提升：多CPU系统性能更优。
文件系统支持：引入日志文件系统ext3，支持XFS和ReiserFS。
网络栈增强：支持更多网络设备，提升IPv6支持和网络性能。
防火墙和IP过滤：引入Netfilter框架，实现强大防火墙功能。
USB支持增强：兼容更多USB设备。
驱动程序支持扩展：支持更多硬件。
性能优化：整体提升响应速度和效率。
内核抢占优化：更好响应性及实时支持。

Linux 2.4使Linux成为成熟且强大的操作系统，特别适合服务器和企业环境，推动了广泛应用。

内核版本2.6（2003）

2003年发布Linux 2.6，带来重大性能和资源管理提升。重点：

可扩展性改进：优化多处理器系统及大型服务器配置，提升并发处理能力。
新的I/O调度器：引入完全公平调度器（CFS）和预期调度器，提升磁盘I/O性能。
电源管理增强：支持高级电源管理，改进ACPI，适合笔记本和移动设备。
udev引入：简化设备管理，方便动态硬件处理。
内核异步I/O：内核内异步I/O操作，提升I/O密集型应用性能。
内核抢占和实时支持改进：提高响应性，适合实时及高性能计算。
大文件支持：支持超大文件，满足企业和科研需求。
安全增强：引入SELinux及基于能力的安全机制。
inotify机制：监控文件和目录变化，支持文件同步和监控。
IPv6支持改进：持续提升IPv6协议支持。
新文件系统：引入JFS、XFS及ext4文件系统，提升可扩展性、性能和稳定性。
网络功能增强：改进网络栈性能、服务质量（QoS）支持及协议支持。

Linux 2.6是内核发展的重大里程碑，使其更具适应性、可扩展性和性能，适用于从桌面到服务器及嵌入式系统的多种环境。

内核版本3.0（2011年）

Linux 3.0发布，主要是为了简化版本号，没有引入重大技术变化。2011年发布的GNU/Linux内核3.0版本，主要特征是版本号变更，而非革命性功能或架构变动。相比2.x版本，3.0未带来显著的新技术特性或核心功能改动。版本号变更主要具有象征意义，旨在简化编号体系。主要特点包括：

版本号简化：从2.x系列（如2.6.x）升级到3.0，体现内核的成熟与稳定，而非架构变革。功能上，3.0与2.6.x极为相似。
稳定性和渐进改进：虽然主版本号变更，3.0继续在性能、驱动更新和漏洞修复等方面持续改进，提升整体稳定性和可靠性。
象征性变化：版本号调整象征内核成熟发展，未代表开发或架构上的重大转变。
持续开发：版本号变更后，Linux开发照常进行，后续版本（如3.1、3.2等）以渐进方式引入新功能和改进。

总结：Linux 3.0主要是版本号变更，反映内核成熟，延续了持续开发和优化的传统，提升性能、硬件支持和稳定性，后续版本在此基础上增加新特性。

内核版本4.0（2015年）

2015年发布Linux 4.0，重点提升性能和稳定性。它不是单一革命性功能，而是一系列渐进改进、漏洞修复和优化，旨在提升整体性能、稳定性和硬件支持。主要亮点：

内核模式设置（KMS）：虽非4.0首次引入，但该版本标志Linux图形支持的一个里程碑，广泛采用KMS，改进显示分辨率管理和图形硬件支持。
硬件支持提升：扩展更多处理器、芯片组、显卡和外设支持。
内核动态修补（live patching）：引入关键安全补丁无需重启即可应用，大幅提升系统正常运行时间和安全性。
支持Intel Skylake架构：提升兼容性和性能。
文件系统挂载速度提升：尤其是Btrfs和NFS，缩短启动时间，提升响应速度。
电源管理改进：增强能效，适合笔记本和移动设备。
新增硬件驱动：支持更多设备。
性能优化：内核整体性能提升。
安全补丁：持续修复安全漏洞，如Spectre和Meltdown缓解措施。

Linux内核开发采用渐进方式，每次发布都建立在前一版本基础上。4.0虽无革命性新功能，但显著提升稳定性、性能和硬件兼容性，是广泛适用的稳健内核。

内核版本5.0（2021年9月）

Linux 5内核引入多项重要特性和改进。注意此后可能还有更新版本带来更多功能。主要内容包括：

性能提升：降低延迟，优化资源利用，更适合桌面和服务器负载。
硬件支持增强：支持AMD Navi GPU、Intel Icelake CPU、树莓派4等新硬件，同时提升对现有设备支持。
安全增强：持续防护各类漏洞，包括Spectre和Meltdown的缓解。
I/O优化：引入io_uring接口，提升磁盘和网络I/O性能。
实时抢占：实时抢占补丁合入主线，更适合实时和低延迟应用。
文件系统更新：ext4改进，Btrfs、XFS等文件系统修复和优化。
图形与GPU支持：支持新AMD、Intel GPU，改进NVIDIA开源驱动Nouveau。
能效提升：加强电源管理，提升设备续航。
无线和网络改进：支持新无线芯片组，提升网络性能。
硬件监控改进：新增传感器和监控功能，方便系统管理。
安全强化：引入内核地址空间布局随机化（KASLR）等硬化措施。
新系统调用和API：支持更复杂应用和服务开发。

内核版本6.0（2022年10月）

2022年10月2日，Linus Torvalds宣布发布Linux 6.0，包含大量更新，尤其是提交数量众多。尽管版本号变更，但他强调并非重大基础变革：
“版本号变更主要是因为我数不过来手指脚趾，而非真正的重大变化。”——Linus Torvalds

Linux 6.0的主要新特性和改进包括：

支持Intel第四代Xeon Sapphire Rapids处理器和第十三代Raptor Lake核心。
对OpenRISC和LoongArch架构的PCI支持。
支持Intel SGX2。
支持高通Snapdragon 8xc Gen3。
支持即将发布的AMD处理器温度监控。
调度器改进，包括对AMD Zen的NUMA负载均衡优化。
支持NVMe内带认证。
RISC-V架构新增默认配置，支持开箱即用运行Docker。
多项运行时验证。
ext4文件系统新增ioctl()操作：EXT4_IOC_GETFSUUID和EXT4_IC_SETFSUUID。
支持树莓派4的V3D内核驱动。
移除限制跨CPU进程迁移的能耗边际启发式算法，提升能效。
自2022年12月内核6.1版本起，首次支持除C和汇编之外的其他语言开发内核。

如需了解Linux内核新增支持详情，可访问该网站的提交摘要：Kernelnewbies.org/LinuxChange…。

GNU/Linux的许可协议

最初，Torvalds发布Linux时采用了一种禁止任何商业用途的许可协议。
在版本0.12中，这一许可改为GNU通用公共许可证第二版（GPLv2）。该许可证允许分发和销售可能经过修改或未修改的Linux版本，但要求所有副本必须在相同许可下发布，并附带完整的对应源代码，或应要求公开访问。Torvalds称，将Linux许可为GPLv2是他做过的“最棒的决定”。

Linux内核明确采用GNU通用公共许可证第二版（GPL-2.0）唯一版本授权（GPL-2.0 only），并附带明确的系统调用例外（linux-syscall-note），不允许被许可方选择使用后续版本。贡献代码必须采用与GPL兼容的许可证。

GNU通用公共许可证第二版（GPL-2.0）是自由软件基金会（FSF）制定的广泛使用的开源软件许可证。其要点简述如下：

分发与修改：GPL-2.0允许任何人使用、修改和分发被许可软件。你可自由修改代码并共享修改成果。
版权许可（Copyleft）：作为一种版权许可协议，若分发软件的修改版本，必须在相同GPL-2.0条款下公开修改后的源代码，确保软件及其衍生品保持开源。
商业使用：允许GPL-2.0许可软件用于商业目的，分发、支持或相关服务收费无禁令。
署名：分发GPL-2.0许可软件或衍生品时，必须保留原始版权声明、免责声明及GPL-2.0许可副本。
兼容性：GPL-2.0与部分更宽松的开源许可不兼容，若与不兼容许可代码合并，结果作品须完全在GPL-2.0下授权。
无担保：GPL-2.0声明软件按“现状”提供，无任何担保，用户和分发者自行承担使用风险。
许可终止：若违反GPL-2.0条款，使用和分发权限可被终止，但可通过遵守许可重新获得权利。

需注意，GPL-2.0为法律文件，其条款具法律约束力。使用或分发该许可软件的开发者和组织应仔细阅读理解其规定，确保合规。GPL-2.0在开源社区被广泛采纳，推动了自由和开源软件的发展。

关于GPLv2唯一版本许可的更多信息，请访问：spdx.org/licenses/GP…。

关于是否应允许许可升级至后续GPL版本（包括GPLv3），社区存在较大争议。Torvalds本人在发布2.4.0版本时明确表示其代码仅采用版本2授权。然而GPL条款规定，如未指定版本，则不允许使用其他版本；Alan Cox指出，极少数Linux贡献者指定了具体GPL版本。

2006年9月对29名核心内核程序员的调查显示，其中28人偏好GPLv2而非GPLv3。Torvalds评论道：“我认为外界很多人……认为我个人只是个怪人，因为我公开不支持GPLv3。”这批顶级内核开发者，包括Torvalds、Greg Kroah-Hartman和Andrew Morton，在媒体上表达了对GPLv3的反对，提及涉及数字版权管理（DRM/tivoization）、专利、附加限制等条款，并警告GPLv3可能导致开源宇宙分裂。Linus Torvalds多年后仍重申其对GPLv3的批评，并决定Linux内核不采纳GPLv3。

总结

在本章中，我们了解了Linux内核创建的历史背景，它借助GNU项目的工具，逐渐发展成了一个完整的发行版。我们还看到了当时技术的影响，这些推动了发展和创新，克服了诸多限制，并采纳了积极的因素，最终形成了我们今天所熟知的系统。

在下一章中，我们将详细探讨Linux系统的结构，尤其是内核本身，这是本书的核心目标。