1973 - Unix 以 C 語言重寫（作業系統第一次可移植）#

案件摘要#

1973 年，Dennis Ritchie 把 Unix 從 PDP-11 組合語言重寫為 C 語言—— 作業系統史上第一次，核心程式碼與特定機器解耦：

Unix 從「一台機器的系統」變成「一族機器的系統」——可移植性的誕生， C 語言從此成為系統軟體的通用語言。

前因 -- 為什麼會有這個案子#

• 組合語言的牢籠：1969 年的 Unix 用 PDP-7 組合語言寫成——換機器（如新到的 PDP-11）就要全部重寫。Thompson 已被迫重寫一次。
• BCPL/B 的先驅線索：Ritchie 從 BCPL（Richards, 1966）發展出 B 語言（無型別），再演化為 NB（New B）→ C（1972）——加入型別（int、char、指標）與結構，使它夠強大又能編譯成高效程式碼。
• PDP-11 的契機：1970 年 Bell 實驗室買入 PDP-11——Thompson 先用組合語言移植，但深知不可持續。
• Ritchie 的偵探直覺：與其每次重寫，不如把核心寫在高階語言——「作業系統必須用組合語言」的教條當場陣亡。

線索與推理 -- 數學式、程式、理論#

第一條線索：可移植性的數學#

設移植成本：組合語言版 = \(c_{\text{asm}}\) （幾乎等於重寫），C 版 = \(c_{\text{port}}\) （只改機器相依部分）：

核心的機器相依部分被隔離到極少數檔案（組合語言起動碼、MMU 設定）——其餘 95% 不用動：

第二條線索：C 語言的設計抉擇#

Ritchie 的關鍵取捨——「可移植的組合語言」： 1. 低階控制：指標、位元運算——能寫驅動程式與 MMU。 2. 高階抽象：函式、結構、型別——能寫大型系統。 3. 極小核心：C 只有 32 個關鍵字——編譯器容易移植到新機器。

語言與系統互相成就——C 為 Unix 而生，Unix 為 C 而擴散。

第三條線索：1973 年的驗證——C 版 Unix 性能不輸組合語言#

Ritchie 與 Thompson 重寫的 C 版核心，性能與組合語言版相當—— 「高階語言太慢」的教條被正式謀殺。1974 年論文發表於 CACM：

C 語言重寫核心的縮影#

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

/* Unix 核心系統呼叫的 C 介面 —— 機器無關 */
int copy_file(const char *src, const char *dst) {
    char buf[512];
    int in  = open(src, O_RDONLY);          /* 一切皆檔案 */
    int out = open(dst, O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    int n;
    while ((n = read(in, buf, sizeof buf)) > 0)
        write(out, buf, n);
    close(in); close(out);
    return 0;
}

# 驗證：同一份 C 原始碼在多平台編譯（macOS / Linux）
import subprocess
open("/tmp/copy_demo.c","w").write(r'''
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main(){char b[8];int i=open("/etc/hostname",O_RDONLY);
int o=open("/tmp/h.out",O_WRONLY|O_CREAT,0644);
int n;while((n=read(i,b,8))>0)write(o,b,n);return 0;}
''')
r = subprocess.run(["cc","/tmp/copy_demo.c","-o","/tmp/copy_demo"])
print("編譯成功" if r.returncode == 0 else "編譯失敗")

結案 -- 後果與影響#

• Unix 的全面擴散：可移植性使 Unix 跑上 DEC、HP、Sun、SGI 等數十種機器——工作站時代的統一系統。
• C 語言統治系統軟體：Linux 核心（1991）、Windows NT 核心、Git（2005）、SQLite——50 年後 C 仍是系統語言之王。
• 「高階語言寫系統」的範式：之後每一代都重演——C++、Objective-C、Go（Thompson 参与）、Rust——1973 年的破案是所有後繼者的祖先。
• 軟體資產的保值：架構/實作分離（1964，見「1964-System360與OS360.md」）+ 源碼可移植——軟體第一次成為可攜帶的資產。
• 歷史教訓：把系統從「機器的財產」變成「語言的財產」，是可移植性的本質——Ritchie 的 C 是這場解耦的兇器，1983 年圖靈獎實至名歸。

關鍵人物與文獻#

• D. M. Ritchie：〈The Development of the C Language〉(1993)；C 語言 (1972)。
• D. M. Ritchie & K. Thompson：〈The UNIX Time-Sharing System〉, CACM 17, 365 (1974)。
• 相關案件：1969-Unix誕生.md、1964-System360與OS360.md、1991-Linux誕生.md。