作者： Andrew S. Tanenbaum，阿姆斯特丹*大学科学学院计算机科学系名誉教授。
译者：孙薇
责编：钱曙光
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Linux已经为众人所熟知，而它的直接始源——MINIX到现在也有30年历史了，如此高龄的软件却还依旧充满生机。MINIX的故事，以及它和Linux的出现历史流传并不广泛，也许从MINIX的开发上我们能学到一些经验教训。其中有些是关于操作系统的，有些是关于软件工程的，还有一些是关于其他领域的（比如项目管理）。无论MINIX还是Linux都不是凭空而来。两者的出现都有很多的相关历史，因此为了正确理解本文，我们先要对它做个简单的介绍。
要点
- 每个设备驱动都应当按照独立的用户模式进程来运行。
- 软件可以维护很长时间，在设计时应当有前瞻性。
- 想让人们接受全新、颠覆性的概念十分困难。
1960年，在麻省理工学院有一个跟房间差不多大小的真空管科学计算机，名叫IBM709。尽管远远比不上如今的电脑——苹果iPad比它快7万倍，RAM也比它大7300倍——但IBM709已经是那时世界上最强大的电脑了。使用者一般在80列穿孔卡片上用FORTRAN来编写程序，并将这些卡片拿给操作员执行人工读取。几个小时之后，打印在132列折叠式记录纸上的结果出炉。在FORTRAN语句中就算漏掉一个逗号，都会导致编译错误，而致使程序员几个小时的时间付诸流水。
为了给用户提供更好的服务，麻省理工开发了一套新系统，叫做兼容分时系统（CTSS）。用户可以使用交互式终端来操作，等待时间也从数小时减到数秒，同时后台还能运行旧式的批处理任务。在1964年，麻省理工、贝尔实验室联合那时还是电脑供应商的通用电气公司，一起参与开发了它的后续系统，这个新系统能够同时为波士顿地区的数百名用户提供服务。我们可以把它当作云计算0.0版本，这个系统被称为MULTICS（MULTiplexed Information and Computing Service）。长话短说，MULTICS在初期问题很多，第一个版本所需求的RAM就超出了GE 645的288KB内存。最后在改进了PL/1编译器之后，MULTICS终于得以启动运行。然而，贝尔实验室很快就失去兴趣并退出了这个项目，留了一个开发人员Ken Thompson。Thompson有着勃勃雄心，他希望能在廉价的硬件上复制一个缩减版的MULTICS。在1973年MULTICS投入商用后，它在全世界揽收了大量的安装份额，最后停止使用的记录是在2000年10月30日，之间整整运行了27年。
回到贝尔实验室之后，Thompson找到了一台迷你电脑PDP-7，他在这台电脑上用汇编语言编写了MULTICS的删减版。由于每次只能服务一名用户，Thompson的同事Brian Kernighan将其称为UNICS（UNIplexed Information and Computing Service）。尽管这个称呼带有讽刺意味的双关含义，象征着MULTICS被阉割成了UNICS，却还是沿用了下来，不过之后逐渐被拼为UNIX。由于已经不能算是缩略词了，有时候也写作Unix。
1972年，Thompson与贝尔实验室的另一名同事Dennis Ritchie组成了搭档，并为Unix作了一个编译器，而Ritchie正是C语言的设计者。他们一同在PDP-11迷你电脑上用C语言实现了UNIX。后来，UNIX又出了几个内部版本，直到1975年贝尔实验室以300美元的价格将UNIX V6权授给大学使用。由于PDP-11大受欢迎，UNIX也很快在全世界流行起来。
在1977年，悉尼新南威尔士大学的John Lions在V6的源代码中撰写了注释，逐行解释其含义。全世界有数百所大学开始使用Lions的书作为UNIX V6教程。
当贝尔实验室的拥有者听说有数千名学生在学习他们的产品时，全都大吃一惊——This had to stop. 在下一个版本中（1979年的V7），官方明确禁止任何人用Unix写书或者给学生授课，导致操作系统课程回归到单纯的理论授课或模拟器模式，全世界的教授为之沮丧不已。UNIX的早期历史在Peter Salus 1994年的书中都有记录。
MINIX的创建
直到1984年我决定利用业余时间改写UNIX V7，彼时我在阿姆斯特丹*大学授课，希望这次改写能给学生们提供一个UNIX兼容的操作系统。我为这个名叫MIni-uNIX或者MINIX的系统设定的目标是IBM的新款PC，因为这款机器足够廉价（1565美元起），学生们买得起。由于早期的PC不带硬盘，在我的设计中兼容V7的MINIX要求配置是：256KB RAM的IBM PC，加一个360KB 5寸软盘。这个配置要远远低于PDP-11 V7的要求。尽管建议配置很低，但我从一开始就知道，为了编译构建整个系统，我需要更好的配置：尽可能达到最大的RAM（640KB）以及2个360KB的5寸软盘。
MINIX的设计目标如下：
- 构建运行在IBM PC上的V7克隆，载体是一个360KB的软盘；
- 将系统设计为“自托管”，即自动执行构建和维护；
- 所有源码完全公开，人人都能拿到；
- 保持干净的设计，方便学生理解；
- 让（微）内核尽可能保持较小，因为内核故障是致命的；
- 将操作系统的其他部分分成独立的用户模式进程；
- 保持Hide interrupt处于很低的水平；
- 只用传递明确协议的同步消息来通讯；
- 尝试让系统端口容易移植到未来的硬件中。
最初开发的时候，我用自己的家用IBM PC运行着与Mark Williams一致的V7克隆版，这份系统由加拿大滑铁卢大学的一名毕业生编写，但源码是不公开的。最初使用一致的版本很有必要，因为我没有C编译器。当程序员Ceriel Jacobs根据我自行研制的阿姆斯特丹编译器套件移植了一个C编译器后，系统就可以自托管了。因为使用MINIX编译，我对任何Bug和缺陷都非常敏感。建议所有开发者都尽可能早地亲自尝试自己开发的系统，这样就能发觉用户遇到的问题。
经验：自己试用自己的产品。
微内核确实很小，里面只有调度器、低级别的程序管理、进程间通讯与设备驱动。尽管设备驱动也编译到了微内核的执行程序中，但实际上它们是独立运行的。微内核也被编译为独立运行的可执行程序。而运行系统的每个其他组件，包括文件系统与内存管理器在内都是作为单独的程序，在单独的进程中运行。由于我使用的机器（IBM PC：CPU 8088）缺少内存管理单元（MMU），虽说可以采取捷径将所有内容打包到一个可执行文件中，但为了让这个设计在有MMU的CPU上也能运行，我决定不用这个方案。
大约花了两年时间，只用晚上和周末，我终于让这个系统运行起来了。但是运行一个小时就会毫无缘由的崩溃，也没有可辨识的模式。裸机Debug调整操作系统，问题仍旧防不胜防，我几乎想要放弃这个项目了。
然后我做了最后一次努力。我写了一个8088模拟器，在上面运行MINIX，这样崩溃时我就能获得正确的dump文件和堆栈追踪。结果吓了一跳，使用模拟器运行MINIX毫无问题，数日甚至数周还在正常运作，一次也没有崩溃。然后我完全的迷惑了。我对一名学生Robbert van Renesse提到了这个奇怪的情况，他告诉我传说8088会在过热时产生中断。虽然在8088的文档中没有这样的记录，他还是坚持有这样的说法。因此我插入了代码来捕捉中断。一个小时之内，我在屏幕上看到了这条信息：“你好，我出现中断了，这条信息不会再次出现。”我立即制作需要的补丁来捕捉中断。之后MINIX就能正常运行并准备发布了。
经验：别盲目相信文档，有可能是错的。
Van Renesse随口一句对三十年后的今天影响巨大，如果他没提过中断的事情，也许我已经在绝望中放弃了。如果没有MINIX，很难想象Linux的出现——Linus Torvalds在详尽学习了MINIX的源代码之后，用它为基础写出了Linux。没有Linux，也就没有基于其上构建的Android系统。没有Android，苹果和三星的股价可能会与今天有很大的不同。
经验：听取学生的意见，他们可能比你知道的更多。
大部分的基础工具都是我自己写的，MINIX 1.1包括有60的工具，从ar到wc，通常大小约在4kB左右，现在的引导装载程序要比它们大100倍。MINIX的所有内容，包括二进制文件和源代码刚好能放在8张360KB的软盘中。其中四张是启动盘、根文件系统、 /usr和/user （见图1）。另外四张包含全部的操作系统源代码，还有60个工具源代码。只有编译器的源码没有放进去，因为实在太大了。
经验：微软的前CTO Nathan Myhrvold的观点是正确的：软件就是煤气；会扩张至充满整个容器。
开发人员想要打破这种“规则”也是有可能的，但必须付出很大的努力。默认规则就是“更加膨胀”。
找到分发源码的办法是个大问题。1987年几乎没人联网，我决定写一本讲这个源码的书，就像Lions之前做的那样。这本书由Prentice Hall出版发行，所有源代码都作为书籍的赠品。在讨论之后，Prentice Hall同意以打包的形式来出售这本书，包括8张5英寸软盘，以及500页的手册，售价为69美元，基本上与制作成本相当。
Prentice Hall并不理解什么是软件，他将软件按成本出售的行为当作增加书籍销量的手段。后来在高可用的1.44MB3英寸盘出现时，我又做了一个新的3英寸版。
经验：无论你的产品多有需求，首先需要有推广或分发的方式。
在发布数日后，USENET新闻组comp.os.minix就开启了。不到一个月就获得了4万名读者，考虑到能访问USENET的人并不太多，这个数字非常可观。MINIX立即受到了推崇。
很快我就从现代计算机文化书店的联合创始人Dan Doernberg那里收到了一封邮件，邀请我去硅谷做个MINIX相关的演讲。刚好我要去旧金山湾区参加一个会议，就接受了邀请。我以为他在店内放套桌椅让我签售呢，没想到他租了圣塔克拉拉会议中心，还做了广泛的宣传，整个会议中心满都是人，演讲过后的答问环节持续到午夜。
之后我收到数百封邮件，要求添加这个或那个功能。由于担心系统过大，需要更昂贵的硬件才能运行，超出学生们的预算，有一些请求被我拒绝了。很多人包括我在内，都希望GNU/Hurd或者BSD承担开源系统的重任，以便我能继续专注于教学。
人们也提供了很多建议，其中有些非常有用。在这许多贡献者中，有一个名叫Jan-Mark Wams的人，他编写了一个非常有用的测试套件，帮助系统Debug。他还编写了一个新的压缩程序，比那时的很多现有程序要优秀，然后系统的发布内容减到了两张盘。即便后来有了在线发布版，软盘版也非常重要，因为有56kbps猫的人很少。
经验：大小有别。
1985年，Intel发布了386处理器，配合全保护模式的32位架构。在很多用户的帮助下（特别是澳洲的Bruce Evans），我发布了MINIX的32位受保护模式版本。尽管当初8088只有一个模式，但由于我对未来的硬件早有预见，从第一天起新版本的代码就被清楚的分为能在“核心模式”中运行的，以及能在“用户模式”中作为独立进程运行的。等到386出现时，我们因此受益良多。另外，在原始代码中我明确地将物理地址与虚拟地址区分开来，虽然在8088中没有什么作用，但在386上起了很大作用，使得移植更为简单。此时在阿姆斯特丹*大学还有两个人：Kees Bot和Philip Homburg制作了32位有虚拟内存的版本，不过我决定坚持使用Evan贡献的那个版本，因为它更接近原始设计。
经验：尝试在设计时符合未来硬件的需求。
到1991年，MINIX 1.5被移植到了Apple Macintosh、Amiga、Atari和Sun SPARCstation上，以及其他一些平台。
经验：如果不依赖硬件的特殊性能，移植到新平台时会更简单。
随着系统的发展，总有意想不到的地方出现问题。其中跟网卡驱动相关的特别讨厌，因为无法调试。最后有人发现，网卡与所标注的规格不符。
经验：跟软件一样，硬件也会有Bug。
硬件“特性”有时可以被视为硬件的Bug。在意大利主流电脑供应商Olivetti将MINIX移植到PC上时，由于无法解释的原因出现了问题，最后发现是因为Olivetti键盘上的几个键与IBM键盘所返回的扫描代码不同。这让我想到，很多国家有自己的标准化键盘，因此我对MINIX做了修改，让它对多个键盘提供支持，并在安装系统时可作出选择。对于意大利、法国、德国等国家的人来说，这种修改非常有用。
经验：当生命给你又酸又苦的柠檬时，你可以把它做成又甜又好喝的柠檬汁。遇到不如意，你可以让它变成好事。
Linus Torvalds买了一台PC
1991年1月5日，默默无闻的芬兰赫尔辛基大学学生Linus Torvalds做了一个重要的决定。他买了一个速度飞快（33MHz）、容量很大（4MB RAM，40MB硬盘）的PC，主要是为了运行和学习MINIX。在1991年3月29日，Torvalds在USENET新闻组（comp.os.minix）发布了第一条消息：
“大家好，我已经运行minix一周了，现在升级到386-minix（很好用），准备下载gcc……”
他的第二个帖子是在1991年4月1日发布的，回了别人一个简单的问题：
“RTFSC（阅读源代码），里面满是注释和解决方案，应该非常清楚……”
这个帖子证明了在10天内，Torvalds就彻底地学习了MINIX的源代码，并对没学过源代码的人表示了鄙视。MINIX那时的目标就是要让学生很容易的学习。在Torvalds的个例中，结果显然很成功。
然后到了1991年8月25日，Torvalds又发了一个帖子：
“致使用minix的人，你们好，我正在为386（486）AT制作一个免费的操作系统（只是个人兴趣，不会像GNU那样大，也没那么专业）。这个系统是从4月开始准备的，现在已经准备完毕。我希望喜欢/不喜欢MINIX的人都能给我些反馈，因为我的操作系统有些类似，除了其他的，在文件系统中也有着同样的物理布局。”
第二年，Torvalds在继续学习MINIX，并使用它开发了自己的新系统。这就是第一代Linux的内核。在Linux的核心中，仍能看到MINIX的文件系统和源树布局的残余痕迹。
在1992年1月29日，我向comp.os.minix发布了一条消息，表示微内核除了性能之外都比单体设计更优秀。这个帖子引发了网路论战，即便到了24年后的今天，全世界也有很多学生给我发消息说明自己的站队方向。
经验：传说大象记忆力超群，而互联网就像一头大象，拥有过目不忘的本领。
当心你放在互联网上的东西，有可能在数十年后仍会出现在你面前。
对一些人来说，性能更重要。Windows NT就设计成了微内核的模式，但后来由于性能不够，微软转向了混合型设计。在Windows NT、2000、XP、7、8和10之中，底层都有一个硬件抽象层来隐藏主板的差异，在那之上是处理中断的微内核、线程调度、低级进程间通讯以及线程同步，再之上是Windows Executive，包括一群负责流程管理、内存管理、I/O管理、安全性等功能的独立组件，共同组成了操作系统的核心。就像MINIX那样，它们通过定义明确的协议来通讯，不过在MINIX中使用的是用户进程。NT及后继系统都属于混合型系统，所有这些组件都在内核模式中运行，环境切换较少，性能更好。因此，从软件工程师的角度来看，这属于微内核设计，但从可靠性的角度来看还是单体架构，任何组件中的某个Bug都会导致整个系统崩溃。苹果的OS X也是类似的混合型设计，底层是Mach 3.0的微内核，其上层（Darwin系统）脱胎于FreeBSD。
同样值得一提的是嵌入式计算的情况。在嵌入式计算世界中，可靠性要比性能更重要，因此微内核成为主流。QNX是一个类UNIX的商用实时操作系统，广泛用于汽车、工厂自动化、发电厂与医疗器械行业。L4 microkernel11运行在无线射频芯片上和安全处理器之上，前者已有全世界10亿多台手机在使用，后者也有iPhone 6等的新型iOS设备在用。L4很小，其中一个版本只有大约9000行C代码，对于单体系统来说简直不可思议。不过由于历史问题，在微内核上仍有争议，而且性能也有些低。
关于MINIX的新研究是尝试在微内核之上建立容错的、多服务器的、兼容POSIX的操作系统。
1992年在新闻组comp.os.minix里我也指出了这一点：将Linux与386架构紧密结合不是个好主意，因为RISC机器很快就会成为市场主流。在很大程度上，这也是正在发生的事情，有超过500亿（RISC）ARM芯片上市。大多数智能手机和平板电脑都使用了ARM CPU，包括高通骁龙、苹果A8和三星Exynos所使用的变种。此外，64位的ARM服务器和笔记本也开始出现。最终Linux被移植到ARM上，不过要是一开始没有跟x86架构绑得太紧，移植应该更容易一些。
经验：不要以为如今的硬件永远能占据主流市场。
也是在这个关键的时候，Linux与GCC编译器绑定在一起。
经验：标准出现时（比如ANSI），请紧跟标准。
除了Linux的真正出现，在1992年还有一个很大的发展。AT&T起诉BSDI公司与加州大学，声称BSD包含了AT&T的代码片段，此外BSDI的电话编号1-800-ITS-UNIX违反了AT&T的知识产权。这个案子到了1994年达成庭外和解，BSD被判有罪，中间给了新的Linux系统很大的发展空间。如果AT&T作出更明智的选择，购买BSDI作为市场营销部门，则有着这样强大而成熟的对手，Linux可能永远不会有机会崛起。
经验：如果你是世界上大公司的老板，有小的创业公司出现在你关心却一无所知的领域，就把它买下来。
在1997年，已经兼容POSIX的MINIX2发布了，我撰写的《操作系统设计与实践》一书也更新到第二版，合著者是Albert Woodhull。
到了2000年，我最终说服了Prentice Hall发布MINIX 2，并在网上免费发布所有源代码。这件事本该早些做，特别是原始协议允许大学进行无限的复制，而且卖给出版商的时候也是成本价格。
经验：在采取策略后，应当时不时回头检视一下。
作为研究项目的MINIX
MINIX 2又缓慢发展了几年，但到了2004年方向出现了巨大转变，那时我从荷兰科学研究组织收到了一笔拨款，可以将纯粹的爱好变为严肃的、有资金资助的研究项目。在2004年之前，我都没有外部资金来源。后来我又陆续收到几笔赠款，总共300万美元，作为研究如何将MINIX打造为可靠操作系统的经费。
经验：对重要的东西做研究可以让你获得研究经费，即便它游离于主流之外。
当然，MINIX并非唯一关注微内核的研究项目。我们后来又做了些研究，包括运行时替换崩溃的组件，这是自修复系统的第一步。事实上，现在MINIX已经可以做些事情了：无需重启，替换一些崩溃的核心操作系统组件，不会影响应用进程。没有其他团队能做到这一点，这为我们的团队树立了信心。
经验：早期成功能够鼓舞士气。
这种变化能实现最小权限原则，在像Windows或Linux这样的单体系统中，如果出现故障则驱动有权删除磁盘内容；在MINIX中，微内核的设计不允许这种做法。
经验：每个设备驱动都应当以非特权模式，按照独立用户模式方式来运行。
微软显然很了解这一点，为Windows XP以及后续系统引入了用户模式驱动框架。并鼓励设备驱动按照用户模式的方式来编写，就像MINIX那样。
2005年，我被邀请参加ACM的操作系统准则研讨会，这是操作系统研究的最高荣誉了。我打算在演讲上正式宣布MINIX 3发布，中途我脱掉了上衣，露出有MINIX 3字样的T恤。从这天起，MINIX网站正式允许下载。我本以为会议期间，服务器能够承受负载。由于我是会议的嘉宾，所以住在皇家套房中，房间很棒，有很漂亮的海景，但很不幸，这是唯一一间没有互联网接口的房子。更糟的是酒店没有Wi-Fi，幸好有好心的会议组织者愿意跟我换房，我才能够在普通房间内连网处理工作。
经验：专注于你真正的目标。
在有些东西看似很美好的时候，不要分心；它说不定是一个障碍。
到2005年，MINIX 3已经成为了很严肃的系统，但有很多人读过我的书，还有很多在学校里学过它，很难说服他们这个系统跟之前的“玩具”系统有巨大的不同。结果很讽刺，我有一个知名的系统，因为它之前的名声却得努力让大家认真对待它。微软很聪明，早期Windows包括95和98都只是MS-DOS，但后来他们将新系统改名为Windows。
经验：如果你的产品第三版在主要方式上与第二版不同，干脆换个新名字。
2008年，MINIX获得了另一次机会，拿到了大约350万美元的资助。
但这个巨大的机遇也创造了一个严重的问题，我雇了4个专业的开发者来开发MINIX 3，并资助了6名博士生和一些博士后推动研究。结果博士生与开发者之间出现了巨大分歧，博士生复制了MINIX 3的源码，并开始用自己的研究进行大量的修改，同时开发者忙着改进Bug，并让代码产品化。两到三年后，我们没办法将损坏的版本恢复了。
尽管我也希望将研究结果运用到产品中，但遭到了程序员的强烈抵制。因为他们已经详细优化过代码，不希望再添加很多未经测试的东西进去。只能再做很多努力，才能让小组的研究成果转为现实产品。
经验：同时做研究和开发软件产品的话，结果会很难结合。
有时研究人员与开发人员会遇到同样的问题，其中一个涉及同步通讯的使用。同步通讯从一开始就存在，也非常简单，但它与可靠性的目标相矛盾。如果客户端进程C发送消息到服务器进程S，然后C在收到回应前陷入崩溃或者无限循环，S因为无法发送回复就会挂起。这个问题是同步通讯所固有的。为了避免，我们不得不引入虚拟端点、异步通讯等等，导致简洁度大幅下降。
经验：爱因斯坦说的没错，事情应当尽可能保持简单，但不能太过简单。
他的意思是：每个人都应当追求简洁，并确保解决方案足够全面地进行工作，但不可要求太甚。这也是MINIX从最开始的指导准则。
2011年左右，为了提高产品的专注度，我们做出了两个重要的决定：第一，我们认识到要想让人们使用系统，就得有应用，因此我们从BSD中借鉴了很多内容。实际上，我们已经在容错性更高的子架构中重新部署了NetBSD的用户环境，带来的收益是：突然多了6000个可用的NetBSD包。
经验：如果你希望人们使用你的产品，那它必须有用。
第二，我们意识到想要赢过Windows、Linux、OS X等桌面系统，得打一场硬仗。所以我们将MINIX 3移植到ARM处理器上，并开始专注于高可用性的嵌入式系统。此外，很多工程师都在寻找能够嵌入新相机、电视机、数字视频录像机、路由器等其他产品的操作系统，尤其是MINIX 3可以在使用ARM Cortex-A8处理器的BeagleBone系列单片机上运行（参见图3）它们基本上都是完整的PC，零售价是50美元，而且经常被用作嵌入式系统原型。所有都是开源硬件，弄清工作原理很容易。
经验：如果在市场推广中，计划A不起作用，那么改成计划B。
回顾一下：微内核也许是实现高稳定性和自修复系统的最好方式，但令人惊讶的是，30年来MINIX微内核几乎没有增加代码。甚至有一些主要的软件组件，包括驱动和大部分调度器都被移出。想要进行颠覆性的改变，需要耗费大量的时间，举个例子，根据微软的统计，到2016年3月仍有2.5电脑运行着过时的Windows XP。
经验：我们很难改变已经根深蒂固的做事方式。
此外，现在的电脑性能如此强大，效率已经不那么重要了。例如Android是用Java编写的，比C要慢得多，但好像没人在意这一点。
另一个在MINIX中运行良好的机制就是事件驱动模型。每个服务器和驱动都包含：
这种设计使得测试和隔离Debug都很容易。
另一方面，MINIX 1的简单性限制了它的可用性，缺乏内核多线程和请求式页面调度等在256kB IBM PC上并不实用的，后来这些功能可以加进去了，但我们之前没那么做，导致现在还在买单——移植某些软件非常困难。
尽管资助暂且告一段落，MINIX项目还未结束。它就像很多其他项目一样，逐渐转向开源。
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