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Unix 发展史概览

news 2025/8/4 6:16:54

这里是一个简明清晰的 Unix 发展史概览，涵盖从起源到现代的重要节点和演变过程。

Unix 发展史概览

1. Unix 起源（1969年）

  • 贝尔实验室：Ken Thompson 和 Dennis Ritchie 开发出 Unix 操作系统。
  • 最初设计目标：简洁、可移植、多任务。
  • 用汇编语言开发，后期移植为 C 语言，极大推动了跨平台发展。

2. 早期版本（1970年代）

  • Unix Version 1 - 6（1971-1975）：

    • 基础系统设计与完善。
    • Version 6 (V6) 是首个广泛传播的版本，成为众多高校教学和研究基础。

  • Unix Version 7（1979）：

    • 被称为第一个“现代Unix”，功能更完备。
    • 引入 Bourne Shell、多种系统调用等。

3. Unix 分支与商业化（1980年代）

  • BSD Unix（伯克利软件发行版）

    • 加入网络协议栈（TCP/IP）、虚拟内存支持。
    • BSD 4.2 和 4.3 成为高性能的学术与商业系统基础。

  • AT&T System V

    • 商业版本 Unix，广泛推广。
    • 引入 System V Interface Definition（SVID），统一标准。

  • Unix Wars

    • BSD 和 System V 争夺市场主导权，导致标准割裂。

4. 标准化与统一（1990年代）

  • POSIX 标准

    • 统一操作系统接口，促使各种 Unix 系统兼容。

  • Unix 品牌管理

    • IEEE 和 The Open Group 推出 “The Single UNIX Specification”。

  • Linux 崛起（1991起）

    • Linus Torvalds 开发的免费 Unix-like 内核，快速普及。

5. 现代 Unix 与 Unix-like 系统（2000年代至今）

  • 商业 Unix 系统

    • 如 IBM AIX、HP-UX、Solaris 等继续发展。

  • 开源 Unix-like 系统

    • BSD 系列（FreeBSD、OpenBSD、NetBSD）广泛应用。
    • Linux 作为主流服务器和嵌入式平台。

小结时间线

1969   Unix诞生（贝尔实验室）
1970s  Unix早期版本（V1-V7）
1980s  BSD Unix & System V 发展与分裂
1990s  POSIX标准化，Linux兴起
2000s  现代Unix与开源Unix-like系统共存

在 UNIX V6 中（特别是 PDP-11 架构下），只有进程（process）概念，没有线程（thread） 的支持。我们来详细对比一下：

🧠 1. UNIX V6 的执行单元是「进程」

✅ 每个进程有：

  • 独立的 地址空间（虽然没有 MMU，但通过 relocation/base 寄存器实现简单隔离）
  • 独立的 堆栈、代码段、数据段
  • 独立的 打开的文件描述符列表
  • 独立的 用户态 / 内核态栈
  • PCB（进程控制块）：proc 结构体

📌 换句话说：一个进程就是一个完整的程序的运行实例

❌ 2. UNIX V6 没有线程

🚫 不存在：

  • 多个线程共享同一地址空间
  • 用户态或内核态的线程库
  • 没有 pthread、也没有类似 clone() 的系统调用

在 UNIX V6 中，线程等同于进程的最小执行单元还未诞生。

📚 补充：现代对比

特性UNIX V6现代 Linux / Windows
线程支持❌ 无✅ 有 pthread / clone / TCB
地址空间隔离✅ 基于 relocation✅ 基于 MMU
并发机制✅ 多进程 + fork()✅ 多进程 + 多线程
同步原语❌ 无✅ Mutex、Sem、Cond 等

✳️ 总结一句话：

UNIX V6 的“并发”全靠 fork() 创建多个独立进程完成，没有线程这个概念。
UNIX 在早期（包括 UNIX V6/V7）没有线程的概念，所有的并发都是通过 fork() 创建进程来实现的，每个进程有独立的地址空间，没有共享内存，也没有线程同步原语。

“LWP（轻量级进程，Light Weight Process）” 是线程发展历史中一个非常关键的概念，尤其在早期 UNIX（如 Solaris）中引入，是连接用户线程与内核线程的中间层。下面我详细解释：

✅ 什么是 LWP（Light Weight Process）？

LWP 是一种内核调度单位，它像一个普通进程一样能被内核调度，但：

  • 它和传统的 UNIX 进程相比更轻量
  • 允许多个用户线程绑定到一个或多个 LWP 上
  • 引入 用户线程（user-level thread）与内核线程（kernel-level thread）之间的分离

🧠 为什么引入 LWP？

早期 UNIX：

  • 每个进程是调度单位
  • 多线程程序会导致所有线程都阻塞（因为调度粒度是整个进程）

引入 LWP 的目的：

  • 实现线程调度 不完全依赖内核
  • 用户空间可以快速切换线程，减少系统调用
  • 实现 M:N 模型（多个用户线程映射到多个内核线程）

🔧 结构示意图

               用户空间+--------------------------------+|  用户线程1   用户线程2   ...   |+--------------------------------+↓         ↓LWP1       LWP2        <- 绑定关系↓         ↓内核线程1   内核线程2      <- LWP由内核调度

📘 Solaris 中的 LWP 模型（经典代表）

概念描述
用户线程程序员使用的线程接口（如 thr_create）
LWP用户线程与内核之间的桥梁，由内核调度
内核线程OS 级别线程，是 CPU 的实际执行单位
M:N 模型多个用户线程通过多个 LWP 共享少量内核线程

🧵 与 POSIX 线程的关系

  • POSIX pthreads 抽象的是用户线程接口
  • 在 Solaris 中，pthreads 是基于 LWP 实现的
  • 在 Linux 中，pthreads 实际上就是 每个线程 = 一个 LWP = 一个内核线程，是 1:1 模型

🔍 LWP 的优劣

优点缺点
用户线程调度效率高实现复杂（需要管理映射关系）
可以复用 LWP，节省系统资源用户线程阻塞时，LWP 也会被阻塞
更灵活：适合 IO 密集 + CPU 密集很难在 Linux 等平台通用实现

🧠 总结一句话：

LWP 是一种由内核调度的轻量进程，用于支持用户线程的执行，是早期 M:N 多线程模型的关键组成。

现代主流系统（如 Linux、macOS）已经普遍采用 1:1 模型（每个线程一个内核线程），放弃了复杂的 M:N 和 LWP，但它在线程设计历史上具有里程碑意义。

是的，RT-Thread Smart 中的 LWP（Light Weight Process） 与 Solaris、早期 UNIX 系统中的 LWP 含义有相似之处，但也有一些区别，下面我来详细说明：

✅ RT-Thread Smart 中的 LWP 是什么？

RT-Thread Smart 是 RT-Thread 的类 Unix 扩展（用户空间 + 内核空间），LWP 是 Smart 中的用户态进程模型实现的核心结构，代表一个用户空间进程。

在 RT-Thread Smart 中，LWP（轻量级进程）：

  • 是一种用户态进程，具有独立的地址空间
  • 拥有独立的虚拟内存、文件描述符表、信号处理等
  • 内核调度的是线程（rt_thread），线程属于某个 LWP
  • 一个 LWP 可以有多个线程（共享用户空间）

🧠 和传统 UNIX 的 LWP 比较

特性Solaris / UNIX LWPRT-Thread Smart LWP
所属系统UNIX（如 Solaris）RT-Thread Smart
实质用户线程的桥梁 / 调度单位用户空间进程
是否被内核调度是（间接调度）不是（线程调度）
是否有独立地址空间否（多个线程共享）是（每个 LWP 是独立地址空间）
线程关系多个线程通过 LWP 映射到内核线程多个线程属于同一个 LWP，共享资源
内核视角LWP 是调度单位LWP 是运行环境（调度单位是 rt_thread）

➤ 可以简单类比为：

  • UNIX LWP ≈ 内核调度用的线程容器
  • RT-Thread LWP ≈ 独立的用户进程（带地址空间）

📦 RT-Thread Smart 中的进程-线程模型

结构大致如下：

         内核空间
+----------------------------+
|        RT-Thread           |
|  +---------------------+  |
|  |  rt_thread（线程）  | <----- 调度单位
|  +---------------------+  |
|  |       LWP（进程）   | <----- 用户进程环境
|  +---------------------+  |
+----------------------------+用户空间（每个进程）
+----------------------------+
|  main() 用户代码           |
|  libc, heap, stack, ...    |
+----------------------------+

✳️ 为什么叫 LWP？

这个命名是借鉴 UNIX 世界的“轻量级进程”的概念，强调：

  • 它不是传统大内核进程（如 Linux task_struct 那种）
  • 它比传统进程更“轻”，适用于嵌入式环境
  • 支持独立地址空间、用户态运行，是 Smart 支持应用层的核心机制

✅ 总结

RT-Thread Smart 的 LWP 是“用户态进程”的抽象，与传统 UNIX 的 LWP 都强调轻量、可调度、可扩展，但意义略有差异。

方面RT-Thread Smart 中的 LWP
本质用户进程（独立地址空间）
是否支持线程是，多个线程属于一个 LWP
是否被调度否，调度的是线程
内存隔离支持 MMU 的隔离（Smart 模式）

在具有多线程与多进程支持的操作系统（如 Linux、RT-Thread Smart 等）中，调度属于不同进程的线程和调度同一进程内的线程，在实现层面有一些关键区别，主要体现在以下几个方面：

✅ 1. 地址空间切换（上下文）

✅ 不同进程的线程切换

  • 需要切换地址空间（切换页表或 MMU 上下文）；
  • 内核必须刷新 MMU 页表基地址，切换到另一个进程的内存视图；
  • 代价更高，因为涉及 TLB flush、cache coherence 等；
  • 所有进程私有的数据（堆、栈、代码段）都会发生变化。

👉 举个例子：

进程 A 的线程 T1 → 切换 → 进程 B 的线程 T2

系统必须切换页表，所有内存访问都按 B 的上下文来解释。

✅ 同一进程的线程切换

  • 无需切换地址空间，因为线程共享进程的地址空间；
  • 只需要切换线程的 CPU 上下文（寄存器、堆栈等）；
  • 开销较小，调度速度快；
  • 常见于用户态多线程库、POSIX 线程（pthread）等。

👉 举个例子：

进程 A 的线程 T1 → 切换 → 进程 A 的线程 T2

页表不动，仅换栈、寄存器等上下文。

✅ 2. 资源管理与权限

不同进程的线程：

  • 拥有独立的资源和权限；
  • 文件描述符、信号处理器、环境变量等互不干扰；
  • 更适合服务隔离、安全场景。

同一进程的线程：

  • 共享几乎所有资源：堆、静态区、文件句柄、socket 等；
  • 适合高效协作、低开销计算，但不利于隔离。

✅ 3. 调度粒度与策略

调度项目同进程线程切换跨进程线程切换
时间片轮转通常一样通常一样
优先级调度适用适用
地址空间切换否（保留）是（重载）
系统负担较低（仅 CPU 上下文）较高（CPU + MMU 上下文）

✅ 4. 在 RT-Thread Smart 中的例子

RT-Thread Smart 的 LWP + thread 模型支持这两类调度：

示例结构：

进程 A（LWP 1）├── 线程 T1└── 线程 T2进程 B（LWP 2）└── 线程 T3
  • T1 ↔ T2 切换：共享地址空间，仅切换 rt_thread
  • T2 ↔ T3 切换：需要执行地址空间切换（虚拟内存重新映射）

✅ 总结表格

比较项同进程线程切换跨进程线程切换
是否切换地址空间否是
切换开销低（快）高（慢）
资源共享程度高（几乎完全共享）低（完全隔离）
安全性差好
典型用途多线程并发多任务/服务隔离

好问题！关于“进程和线程的关系”以及“多进程多线程的调度”，我来详细解释一下：

1. 一个进程是一个内核线程吗？

  • 传统意义上：不完全是。

  • 进程（Process） 是资源分配的单位，拥有独立地址空间、打开的文件等。

  • 线程（Thread） 是 CPU 调度的基本单位，负责执行代码。

在不同操作系统模型中的关系：

模型类型说明
1:1 模型（如 Linux）每个线程是一个内核线程，进程是线程集合。
进程本身不调度，调度的是线程。
M:N 模型（如 Solaris 旧版、RT-Thread Smart）用户线程与内核线程映射不是一一对应。进程里可有多个用户线程，通过多个内核线程调度。
单线程进程模型（如早期 UNIX）一个进程对应一个执行单元（线程），即进程就是内核线程。

2. 多个进程多个线程如何调度？

在现代系统（1:1 模型，如 Linux）：

  • 内核维护所有线程的 PCB（Linux 中是 task_struct，每个线程一个）；

  • 调度器按时间片、优先级等策略从所有线程里选择一个运行；

  • 线程调度时，如果跨进程（切换地址空间），内核完成页表切换；

  • 同进程线程调度时，内核切换 CPU 上下文，无需切换地址空间。

举个例子：

假设有两个进程：

  • 进程A 有线程A1、A2
  • 进程B 有线程B1、B2、B3

内核调度器会在这 5 个线程中轮换执行，比如：

A1 → A2 → B1 → B2 → B3 → A1 → ...

切换不同进程线程时切换地址空间，同进程线程切换时地址空间不变。

3. 调度器怎么实现？

  • 维护就绪队列：里面存放所有可运行的线程；

  • 上下文切换：保存当前线程状态，恢复下一个线程状态；

  • 切换页表（跨进程）或保持不变（同进程）；

  • 抢占机制：支持抢占式多任务，定时器中断触发调度。

4. 在 RT-Thread Smart 中

  • 进程被称为 LWP（轻量级进程）；

  • 内核调度单位是线程（rt_thread）；

  • 每个线程属于某个 LWP（进程）；

  • 调度器从所有线程中选一个运行；

  • 切换不同 LWP 线程时，完成地址空间切换。

总结：

概念说明
进程资源容器，拥有独立地址空间
线程CPU 调度单位，执行代码的“实体”
一个进程=一个内核线程？早期 UNIX 是，现代系统否。
多进程多线程调度统一调度所有线程，切换时根据是否跨进程切换地址空间。

下面是一个用 Mermaid 画的关于 多进程多线程调度 的简化流程图示例，重点表现线程调度时是否需要切换地址空间：

flowchart TDStart[调度器触发]SelectThread[选择下一个线程执行]SameProcess{是否与当前线程同一进程？}SwitchContext[切换线程上下文]SwitchAddressSpace[切换地址空间（页表切换）]RunThread[线程运行]TimerInterrupt[定时器中断]Start --> SelectThreadSelectThread --> SameProcessSameProcess -- 是 --> SwitchContextSameProcess -- 否 --> SwitchAddressSpaceSwitchAddressSpace --> SwitchContextSwitchContext --> RunThreadRunThread --> TimerInterruptTimerInterrupt --> Start

说明：

  • 调度器周期性触发（通常由定时器中断触发）。

  • 选择下一个要执行的线程。

  • 判断是否是同一进程线程：

    • 是：只切换线程上下文（寄存器、栈指针等）。
    • 否：需要先切换地址空间（更新 MMU 页表），再切换上下文。

  • 切换完成后，线程开始运行。

  • 运行过程中，定时器中断再次触发调度。

http://www.xdnf.cn/news/1234513.html

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