Linux 已經(jīng)有些年頭了。到 2012 年，Linux 已經(jīng) 21 周歲了，它是一個(gè)支持多種使用模型的成熟操作系統(tǒng)。很難將 Linux 僅當(dāng)成一個(gè)操作系統(tǒng)，它更像是個(gè)變色龍。它靈活的模塊化內(nèi)核可支持多種使用模型（從最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)到最小的嵌入式設(shè)備），因此很難將它劃分為具體的某一類，只能是當(dāng)成一項(xiàng)使能技術(shù)。事實(shí)上，Linux 是一個(gè)平臺(tái)。它是創(chuàng)建新產(chǎn)品的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。其中有些產(chǎn)品才剛剛出現(xiàn)不久。

我們快速瀏覽一下 Linux 的基本架構(gòu)及一些基本原則。然后，看看 Linux 如何將這些原則應(yīng)用于多種使用模型，以及為什么它是一個(gè)平臺(tái)，而不僅僅是一個(gè)操作系統(tǒng)。

Linux 是什么？

從表面上看，Linux 是一個(gè)操作系統(tǒng)。如 圖 1 所示，Linux 包含一個(gè)內(nèi)核（管理硬件和軟件資源的核心代碼）和一組用戶應(yīng)用程序（例如庫(kù)、窗口管理器和應(yīng)用程序）。

圖 1. Linux 表面

 

這個(gè)簡(jiǎn)單的圖表顯示了一些容易被忽視的重要原則。Linux 棧的底部是一組依賴于架構(gòu)的代碼，它能讓 Linux 在多種硬件平臺(tái)（ARM、PowerPC、Tilera TILE 等）上運(yùn)行。當(dāng)然，這一項(xiàng)功能是由 GNU 工具鏈所賦予的，它能實(shí)現(xiàn) Linux 可移植性。

在可移植性 方面，Linux 是它自身的類。驅(qū)動(dòng)程序子系統(tǒng)（功能多樣）支持動(dòng)態(tài)加載模塊，而不會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生任何影響，它支持模塊化（除了更加動(dòng)態(tài) 的平臺(tái)外）。Linux 還包含內(nèi)核級(jí)安全性（多種方案），可支持安全的 平臺(tái)。在外部文件系統(tǒng)方面，Linux 可最大限度支持所有操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)，例如，通過設(shè)計(jì)模塊化提供靈活性。Linux 不僅實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)調(diào)度特性，而且實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí) 調(diào)度（包括對(duì)中斷延遲的保證）。

最后，Linux 是開放式的，這意味著幾乎任何人都能查看或改進(jìn)其源代碼。這種開放性也將產(chǎn)生漏洞的可能性降到最低，從而形成一個(gè)更加安全的 平臺(tái)。許多公司都對(duì) Linux 作出貢獻(xiàn)，使它能不斷支持各種使用模型，同時(shí)保持其核心屬性。

這七項(xiàng)重要原則不是 Linux 的全部原則，但這些讓 Linux 成為了支持多種使用模型的通用平臺(tái)。而且，Linux 在這些使用模型中是一致的，這不僅體現(xiàn)在設(shè)計(jì)原則，還有內(nèi)核本身。而其他操作系統(tǒng)則不是這樣（例如 Windows®臺(tái)式版、服務(wù)器版，或嵌入式，以及 Mac OS X 或 Apple iOS），它們將產(chǎn)品拆分以支持其他使用模型。

Linux 在哪？

也許回答哪里有 Linux 比回答哪里沒有 Linux 要難。Linux 其變形和擴(kuò)展能力在所有計(jì)算領(lǐng)域都能找到（甚至一些還未完全定義的領(lǐng)域）。本節(jié)將探索一些主要的計(jì)算領(lǐng)域，包括桌面/筆記本、服務(wù)器、集群、大型機(jī)、超級(jí)計(jì)算機(jī)、掌上電腦/平板電腦、嵌入式、虛擬化和試驗(yàn)機(jī)（見 圖 2）。

圖 2. Linux 屬性和支持領(lǐng)域
 

桌面和筆記本

在桌面和筆記本領(lǐng)域，很多用戶使用 Linux，這也是 Linux 競(jìng)爭(zhēng)最激烈的領(lǐng)域。最新的市場(chǎng)占有率調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，Linux 占有 1.5% 的臺(tái)式電腦市場(chǎng)，32% 的筆記本市場(chǎng)。這個(gè)數(shù)字可能有點(diǎn)低，但在開發(fā)人員中，我看到使用 Linux 多于其他操作系統(tǒng)。

Linux 一開始是一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)性的操作系統(tǒng)，于 1994 年推出 XFree86，這是一個(gè)窗口管理器，標(biāo)志著一個(gè)新的桌面操作系統(tǒng)的產(chǎn)生。目前，Linux 上有幾種窗口管理器可用（既是賜福又是禍害），讓用戶能夠根據(jù)需要進(jìn)行定制。而且，Linux 能根據(jù)處理器功能自動(dòng)擴(kuò)展（如多核和對(duì)稱多線程），從而高效安排進(jìn)程并兼顧性能。

服務(wù)器

在服務(wù)器市場(chǎng)（包括 Web 服務(wù)器、郵件服務(wù)器、Domain Name System 服務(wù)器及其他后端設(shè)備），Linux 占主導(dǎo)地位。最近的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，60% 的服務(wù)器使用 Linux。除了傳統(tǒng)的 Web 服務(wù)，Linux 還支撐了一些最大的 Internet 產(chǎn)業(yè)（Facebook、eBay、Twitter、Amazon 等），并滿足不同的使用模型和需求。除了傳統(tǒng)的選擇之外（例如 Web 或郵件），Linux 還提供了大量的 Web 服務(wù)（以及這些服務(wù)的多種選項(xiàng)）。

集群和分布式計(jì)算

Linux 不僅是集群和分布式計(jì)算模型中的重要組成部分，它還對(duì)很多新使用模型核心起著驅(qū)動(dòng)作用。目前快速發(fā)展的兩個(gè)重要模型是云計(jì)算和大數(shù)據(jù)。

云計(jì)算就是將 IT 作為服務(wù)交付，它依賴于共享資源集群，可以根據(jù)給定應(yīng)用程序的需要進(jìn)行調(diào)整。云也依賴于虛擬化以支持大規(guī)?；A(chǔ)架構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)管理。在云環(huán)境中，66% 使用 Linux 作為主要平臺(tái)。

Linux 也在推動(dòng)自身成為數(shù)據(jù)科學(xué)的平臺(tái)。Internet 會(huì)擴(kuò)展可收集到的數(shù)據(jù)量，在處理這些數(shù)據(jù)的過程中會(huì)產(chǎn)生新問題以識(shí)別有價(jià)值的模式?，F(xiàn)在所謂的大數(shù)據(jù) 是在 Linux 上開發(fā)的，可以用可擴(kuò)展方式操作數(shù)據(jù)，這超越了以前傳統(tǒng)方法。Hadoop 及其生態(tài)環(huán)境就是 Linux 開放性的成果，有眾多的開發(fā)人員精通此平臺(tái)。

大型機(jī)

1991 年，一位著名的編輯預(yù)測(cè)大型機(jī)將在 1996 年就被取代。20 多年過去了，大型機(jī)仍然在生產(chǎn)和出售中，并且很多都運(yùn)行 Linux。IBM 從 2000 年開始在大型機(jī)上支持 Linux（例如流行的 IBM® System z®）并提供各個(gè)環(huán)境下相同的用戶體驗(yàn)。Michael Vizard 最近的一篇文章指出約 25% 的新大型機(jī)負(fù)載依賴于 Linux。

超級(jí)計(jì)算機(jī)

超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域一直是標(biāo)榜速度最快的軍備競(jìng)賽，從 Oak Ridge 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Jaguar 超級(jí)計(jì)算機(jī)（2009 年）到中國(guó)的 Tianhe-I（2010 年），再到當(dāng)前領(lǐng)先者日本 RIKEN Kei 計(jì)算機(jī)（2011 年）。在 2012 年，IBM 將推出 Sequoia 超級(jí)計(jì)算機(jī)，預(yù)計(jì)性能超過 RIKEN 一倍。這些超級(jí)計(jì)算機(jī)的共同之處就是都運(yùn)行 Linux。Linux 不僅高效，而且還適用于各種硬件平臺(tái)，有助于提高性能。這一點(diǎn)也不奇怪，有 90% 的超級(jí)計(jì)算機(jī)都運(yùn)行 Linux。

移動(dòng)設(shè)備和平板電腦

在更有限的消費(fèi)設(shè)備領(lǐng)域，移動(dòng)設(shè)備和平板電腦展現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭。這些設(shè)備一般都配有 Linux 內(nèi)核和用戶界面圖形 (GUI)。該領(lǐng)域的一個(gè)重要案例就是 Google Android 操作系統(tǒng)，它可用于智能手機(jī)和平板電腦中。今天，超過 25% 的智能手機(jī)運(yùn)行某一版本的 Linux （主要是 Android），大約 40% 的平板電腦運(yùn)行 Android。

這些設(shè)備依賴于基于 ARM 的處理器（系統(tǒng)在芯片上），實(shí)現(xiàn)高性能、低能耗。無論底層平臺(tái)是什么，它們都是 Linux 設(shè)備，而不是內(nèi)核和應(yīng)用程序的交叉。

Microsoft® 最近確認(rèn)，Windows on ARM (WOA) 平板電腦只支持針對(duì)該平臺(tái)開發(fā)的應(yīng)用程序（換句話說，無法在平板電腦上運(yùn)行老的應(yīng)用程序）。相比之下， Linux 支持高度可移植的應(yīng)用程序，而不是受限制的、封閉式的應(yīng)用程序生態(tài)系統(tǒng)。

嵌入式設(shè)備

最后是嵌入式設(shè)備，它有著各種限制（處理器性能、資源如內(nèi)存等）。Linux 是大多數(shù)設(shè)備的理想選擇，因?yàn)樗芟蛳抡{(diào)整并可以使用市面上大多數(shù)嵌入式處理器。這樣的靈活性使得 Linux 廣泛用于電視、車載娛樂、導(dǎo)航系統(tǒng)及多種其他設(shè)備中。

Linux 具有高度可定制特性，并以低能耗為重心。為了確保低能耗，Less Watts 啟動(dòng)了一個(gè)追蹤 Linux 內(nèi)核版本的能源消耗項(xiàng)目。該項(xiàng)目主要關(guān)注 Intel 平臺(tái)，但對(duì)其他處理器也有用。

Linux 是一個(gè)相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式設(shè)備平臺(tái)，能決定設(shè)備的成功或失敗（以支持快速啟動(dòng)和開發(fā)）。最近出現(xiàn)了一個(gè)很有趣的設(shè)備，稱為 Raspberry Pi，它是基于 ARM 的信用卡大小的計(jì)算機(jī)，運(yùn)行 Linux 并被用作教授編程的教學(xué)設(shè)備。該設(shè)備預(yù)計(jì)售價(jià)在 35 美元，但尚未零售。

虛擬化平臺(tái)

Linux 推動(dòng)創(chuàng)新的最有趣領(lǐng)域之一就是虛擬化。Linux 是各種虛擬化方法的操作系統(tǒng)來源，無論是平臺(tái)或半虛擬化 (para-virtualization)、操作系統(tǒng)虛擬化，或是更模糊的概念如合作虛擬化。Linux 作為一個(gè)操作系統(tǒng)，能將自身轉(zhuǎn)換成管理程序（例如內(nèi)核虛擬機(jī) [KVM]）并托管很多研究管理程序。為了提高虛擬化的效率，Linux 實(shí)現(xiàn)了 Kernel SamePage Merging 技術(shù)以便能高效去除重復(fù)內(nèi)存頁(yè)。

Linux 還推動(dòng)虛擬化技術(shù)更進(jìn)一步，稱為嵌套虛擬化。嵌套，顧名思意，可以讓管理程序托管客戶管理程序，它反過來又托管一組客戶虛擬機(jī)。雖然乍一看此用例有點(diǎn)奇怪，但嵌套虛擬化將改變?cè)朴?jì)算并擴(kuò)展可托管的應(yīng)用程序類型。目前，Linux KVM 支持嵌套虛擬化。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

最后也是相當(dāng)重要的是，Linux 本身的基礎(chǔ)，它是一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過它來探索許多新想法。在 1991 年 UNIX® 推出 20 年以后，Linux 作為一個(gè)玩具式操作系統(tǒng)出現(xiàn)。今天，Linux 已經(jīng)在文件系統(tǒng)研究、集群計(jì)算、云和虛擬化改進(jìn)中作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，拓展了單一操作系統(tǒng)內(nèi)核的極限，可應(yīng)用到許多使用模型中。Linux 作為平臺(tái)，可以通過同時(shí)使用 Linux 和大量開源部件來加快實(shí)驗(yàn)。這些成果中包含大量使用 Linux 構(gòu)建的相關(guān)技術(shù)，其中包括 HP webOS、Google Chrome OS 和 Android。

Linux 引入的一個(gè)有趣變化是，增加了與底層硬件平臺(tái)的無關(guān)性。Linux 能夠展現(xiàn)相同的用戶體驗(yàn)，而不管底層硬件架構(gòu)是什么。因此無論云使用的是 AMD x86 服務(wù)器還是低能耗的基于 ARM 的產(chǎn)品，在 Linux 上運(yùn)行的應(yīng)用程序都可以從物理架構(gòu)中抽象出來。這種抽象化可讓用戶在根據(jù)需求的平臺(tái)上做決定，而不是被綁定到通用但又過時(shí)和低效的架構(gòu)中。Linux 就等于選擇。

Linux 還是自包含的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)。除了托管世界級(jí)的編譯器工具鏈 (GNC Compiler Collection)，它還托管很多工具，如調(diào)試器、編輯器、版本控制系統(tǒng)、文件工具，以及 Shell 和解釋器，以幫助自動(dòng)完成開發(fā)任務(wù)。Linux 的這些功能使它成為理想的軟件開發(fā)和軟件研究環(huán)境。

Linux 多樣性

支持此處定義的各種使用模型只是 Linux 的一個(gè)附帶選項(xiàng)。Linux 發(fā)行版可滿足桌面和服務(wù)器市場(chǎng)，而專門的發(fā)行版專注于嵌入式（例如 uClinux，如果您的嵌入式設(shè)備缺乏內(nèi)存管理單元）。任何人都可以取得 Linux 內(nèi)核并將用戶應(yīng)用程序打包，用于特定的使用模型，并利用 Linux 的各種優(yōu)勢(shì)（網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和文件系統(tǒng)、可配置和動(dòng)態(tài)內(nèi)核和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序編程接口）。這就是快速發(fā)展的智能手機(jī)平臺(tái)運(yùn)行 Linux 的原因（可定制 UI 實(shí)現(xiàn)個(gè)性化）。

更進(jìn)一步

如果將 Linux 比作橋，那么它將是一個(gè)現(xiàn)代工程奇跡。其分布式開發(fā)模型給現(xiàn)狀帶來挑戰(zhàn)，其結(jié)果是產(chǎn)生了最靈活的軟件成品，擴(kuò)展了從微型嵌入式設(shè)備到大規(guī)模的超級(jí)計(jì)算機(jī)的使用模型。Linux 影響了整個(gè)產(chǎn)業(yè)，并引領(lǐng)導(dǎo)了有關(guān)集群計(jì)算、文件系統(tǒng)、云和虛擬化方面的前沿研究。無論計(jì)算環(huán)境如何發(fā)展，Linux 總是緊密相隨。