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1961 - Corbató 分時系統（CTSS：人機互動的誕生）#

案件摘要#

1961 年，MIT 的 Fernando Corbató（1926–2019） 在 IBM 709 上建成了 CTSS（Compatible Time-Sharing System）——史上第一個分時作業系統：

\[ \boxed{\text{一台電腦，同時服務多個使用者，每個人都以為機器只屬於自己}} \]

CTSS 的核心手法驚人地簡單： - 時間切片（time slice）：把 CPU 時間切成小片 \(q\) ； - 輪流（round-robin）：多個使用者的程式輪流上場，用完切片就換人； - 記憶體切換：換人時把記憶體內容存到磁鼓、換下一個人的進來。

\[ \text{時間切片} + \text{輪流} = \text{分時系統}. \]

在 CTSS 之前，電腦是批次處理的怪獸——使用者交出整疊卡片，等幾小時甚至幾天。 Corbató 讓「對話式計算」成為可能—— CTSS 是作業系統、電子郵件、密碼登入、乃至雲端多租戶的共同祖先。 1990 年，Corbató 獲頒圖靈獎，表彰他開創分時系統的先驅貢獻。

前因 -- 為什麼會有這個案子#

  • ENIAC 與批次時代的浪費（1946–1950s）： 1946 年 ENIAC 誕生（見 1936-圖靈機.md——圖靈機在 1946 年變成真實的電腦）， 但此後十五年的電腦都採批次處理（batch processing）：
  • 使用者把程式打成一疊打卡片，交給櫃檯操作員；
  • 操作員整批排程：一個工作（job）獨佔整台機器，做完才換下一個；
  • 程式打錯一個字？再排一天的隊。
\[ \boxed{\text{昂貴的機器全速運轉，人卻在等待中度過一生}} \]

更荒謬的是：工程師在除錯時坐在控制台前，機器大部分時間在等人打字—— 機器閒置是浪費，人機隔離也是浪費，這是時代的兩難。 - 圖靈機的啟示（1936）： 通用圖靈機（見 1936-圖靈機.md）證明了

\[ U(\langle M\rangle, x) = M(x) \quad\text{（程式 = 資料）}. \]

一台機器可以模擬任何機器——那麼一台電腦能否同時模擬多台獨立的機器， 讓每個使用者各得一台？分時系統是通用圖靈機的「多重化身」。 - 人機互動的渴望（1950s–1960s）： Licklider 1960 年發表《人機共生》（Man-Computer Symbiosis）， 呼喚「即時對話」的人機關係；Engelbart 更在 1968 年做出 驚天動地的「所有展示之母」（見 1968-恩格巴特超文字.md）—— 但展示的前提是有互動式的機器。沒有分時系統，就沒有 1968 的滑鼠與超文字。 - MIT 的突破口（1959–1961）： John McCarthy（1958 LISP、1971 圖靈獎）1959 年在 MIT 備忘錄中 首次提出分時（time-sharing）的概念；Corbató 帶領團隊把它變成現實—— 1961 年 11 月，CTSS 首次公開示範：四個終端機同時連上 IBM 709。

線索與推理 -- 數學式、程式、理論#

第一條線索：時間切片與 round-robin 排程#

批次（FIFO）：一個工作做完才換下一個——第 \(k\) 個工作要等前面全部做完：

\[ F_k^{\text{FIFO}} = \sum_{i=1}^{k} p_i. \]

分時（round-robin）：每個工作輪流用切片 \(q\) —— \(N\) 個使用者、切片 \(q\) 時，每個工作第一次得到回應最多等一輪：

\[ T \approx N \times q. \]
\[ \boxed{\text{只要 } N \times q \text{ 夠小，每個人都覺得「機器只屬於自己」}} \]

例如 30 個使用者、 \(q = 20\,\text{ms}\) ：最長等待 \(600\,\text{ms}\) ——比人的反應還快， 「同時」的幻覺就此誕生。這是排程理論（scheduling）的開山之作。

第二條線索：多使用者隔離——密碼的誕生（1961）#

機器同時服務多人，就必須回答：你是誰？你能碰別人的檔案嗎？ - CTSS 是史上第一個使用密碼登入的系統（1961）—— 每個使用者有帳號與密碼，這是今日一切登入的祖先； - 1962 年的趣事：CTSS 的檔案系統出了 bug—— 所有使用者要編輯「歡迎訊息」檔案（welcome.txt）時， 系統卻把整本密碼檔印在了每個人的終端機上—— 全世界第一次密碼外洩，就發生在史上第一個密碼系統上！

\[ \text{第一個密碼系統（1961）} \xrightarrow{\text{第一次洩密（1962）}} \text{資安時代的開端}. \]

Corbató 事後自嘲：「這件事教會我們，安全不是事後補丁。」 - 檔案系統與郵件：CTSS 有最早的檔案系統（階層式目錄的雛形）， 1965 年 Tom Van Vleck 與 Noel Morris 在 CTSS 上寫出 史上第一個電子郵件程式 MAIL——email 誕生於分時系統。

第三條線索：Multics 與分頁虛擬記憶體（1965）#

CTSS 只能同時服務約 30 人（記憶體有限：IBM 709 只有 32K words）。 1964 年起，MIT、Bell 實驗室與 GE 合作Multics（1965），目標是 「電腦像電力公司一樣，像水龍頭一樣供應計算」（utility computing）： - 分頁虛擬記憶體（paging）：把程式切成固定大小的「頁」（page）， 不常用的頁放到磁碟上，用到時再載入——

\[ \text{虛擬位址} \xrightarrow{\text{分頁表}} \text{實體位址}. \]
\[ \boxed{\text{程式以為記憶體無限大——虛擬記憶體的誕生}} \]
  • 階層式檔案系統：樹狀目錄——UNIX 目錄結構的直接前身；
  • 動態連結：程式可以在執行中載入新的模組。 Multics 因過度工程（追求完美、體積失控）在商業上失敗， 但它教會了世界作業系統該長什麼樣。

Python：round-robin 排程器 vs 批次（FIFO）的模擬#

# CTSS 分時 vs 批次（FIFO）：round-robin 排程器模擬
import collections

jobs = [("A", 8), ("B", 4), ("C", 9), ("D", 5)]  # (名稱, 所需 CPU 時間)

def fifo_schedule(jobs):
    """批次處理：一個工作做完才輪到下一個（1950 年代的打卡片時代）"""
    t, done = 0, []
    for name, need in jobs:
        t += need
        done.append((name, t))  # 完成時間
    return done

def round_robin_schedule(jobs, q=2):
    """分時系統：每個工作輪流用 q 個時間切片（1961 CTSS 的核心思想）"""
    queue = collections.deque(jobs)
    t, done = 0, []
    while queue:
        name, need = queue.popleft()
        run = min(need, q)
        t += run
        need -= run
        if need > 0:
            queue.append((name, need))
        else:
            done.append((name, t))
    return done

def avg_response(done):
    return sum(f for _, f in done) / len(done)

print("四個工作：A(8) B(4) C(9) D(5)，時間切片 q=2\n")

print("批次（FIFO，1950 年代）：")
for name, f in fifo_schedule(jobs):
    print(f"  工作 {name} 完成於 t={f}")
print(f"  平均完成時間 = {avg_response(fifo_schedule(jobs)):.2f}")

print("\n分時（Round-Robin，1961 CTSS）：")
rr = round_robin_schedule(jobs, q=2)
for name, f in rr:
    print(f"  工作 {name} 完成於 t={f}")
print(f"  平均完成時間 = {avg_response(rr):.2f}")

print("\n觀察：FIFO 中 B 要等 A 做完 8 單位才開始；")
print("Round-Robin 下每個工作都在 q 之內得到第一次回應，")
print("互動式使用因此成為可能——這就是分時系統的革命。")
輸出： 
四個工作：A(8) B(4) C(9) D(5)，時間切片 q=2

批次（FIFO，1950 年代）：
  工作 A 完成於 t=8
  工作 B 完成於 t=12
  工作 C 完成於 t=21
  工作 D 完成於 t=26
  平均完成時間 = 16.75

分時（Round-Robin，1961 CTSS）：
  工作 B 完成於 t=12
  工作 D 完成於 t=21
  工作 A 完成於 t=23
  工作 C 完成於 t=26
  平均完成時間 = 20.50

觀察：FIFO 中 B 要等 A 做完 8 單位才開始；
Round-Robin 下每個工作都在 q 之內得到第一次回應，
互動式使用因此成為可能——這就是分時系統的革命。
偵探的解讀：FIFO 的平均完成時間較短（16.75 vs 20.50）—— 純粹以吞吐量計，批次較佳！但 round-robin 的關鍵不在平均， 而在每個工作都在 \(q\) 之內第一次上場（B 在 \(t=2\) 就動了， FIFO 卻要等到 \(t=8\) ）——互動體驗（響應時間）戰勝了吞吐量， 這正是 Corbató 的革命性洞察。

結案 -- 後果與影響#

  • UNIX 的誕生（1969–1973）： Bell 實驗室的 Ken Thompson 與 Dennis Ritchie 參與 Multics 計畫， 目睹它因過度工程而失敗，1969 年在廢棄的 PDP-7 上寫出精簡版—— UNIX（見 1973-UNIX作業系統.md）：
\[ \text{CTSS（1961）} \xrightarrow{\text{Multics（1965）}} \text{UNIX（1969/1973）}. \]

UNIX 繼承了 Multics 的階層檔案系統、shell、多使用者， 丟棄了它的臃腫——「Multics 失敗，UNIX 成功」是工程史最著名的一課。 - 分頁虛擬記憶體的普及（1960s–1970s）： Multics 的分頁虛擬記憶體成為一切現代作業系統的標配—— 今天你的筆電、手機上的每一個行程都活在虛擬位址空間裡。 - 雲端多租戶的遠祖（1961 → 2006）： CTSS「一台機器服務多個使用者」的思想，在半世紀後化身為 雲端計算的多租戶（multi-tenant）架構：

\[ \text{分時系統（1961）} \xrightarrow{\text{50 年}} \text{雲端（2006）}. \]

Corbató 1965 年的預言——「計算像電力公司一樣供應」——應驗了。 - 密碼與登入的誕生（1961）： 帳號、密碼、登入、檔案權限——今日一切資安的源頭都在 CTSS； 連 1962 年那次密碼外洩也成了資安意識的起點。 - 圖靈獎（1990）： ACM 於 1990 年頒發圖靈獎給 Corbató，表彰 「分時系統的先驅性工作」——遲到 29 年的肯定。 2019 年，Corbató 以 93 歲高齡逝世，親眼見證自己的預言成真。 - 歷史定位：Corbató 是人機互動時代的接生婆—— 他把電腦從「整疊卡片、等待數日」的修道院， 變成「即時對話」的日常工具；

\[ \text{圖靈機（1936）} \xrightarrow{} \text{批次（1946）} \xrightarrow{\text{CTSS（1961）}} \text{互動（1968）} \xrightarrow{} \text{UNIX（1973）} \xrightarrow{} \text{雲端（2006）}. \]

一切從那個 20 毫秒的時間切片開始。

關鍵人物與文獻#

  • F. J. Corbató（1926–2019）：CTSS（1961）、Multics（1965）；1990 年圖靈獎。 文獻：An Experimental Time-Sharing System（1962，與 Daggett、Slater）； The Compatible Time-Sharing System（1963，MIT Press）。
  • J. McCarthy（1958 LISP、1971 圖靈獎）：1959 年 MIT 備忘錄首次提出分時概念。
  • K. Thompson 與 D. Ritchie：在 Multics 失敗後創 UNIX（1969/1973）——1983 年圖靈獎。
  • J. C. R. Licklider：《人機共生》（1960）——分時系統的哲學推手。
  • T. Van Vleck 與 N. Morris：CTSS 上的 MAIL（1965）——史上第一個 email。
  • 相關案件：1936-圖靈機.md、1973-UNIX作業系統.md、1968-恩格巴特超文字.md。