1969 — Unix 誕生#

案件摘要#

1969 年，當 Bell Labs 退出 Multics 計畫後，Ken Thompson 用閒暇時間在廢棄的 PDP-7 上寫出了 Unix——一個小到一人可維護、卻改變了整個電腦世界的作業系統。它的哲學（do one thing well、pipe、一切皆檔案）與可移植性，造就了今天 macOS、Android、Linux 的共同血統。

前因 -- 為什麼會有這個案子#

1964 年，MIT、Bell Labs 與 GE 合作啟動 Multics（Multiplexed Information and Computing Service）計畫，目標是造一台「像電力公司一樣」提供所有人共用計算資源的超大分時系統。願景宏偉，但工程上越走越沉重：

系統目標不斷膨脹，寫了數年仍無法達到可用的穩定度
代價高昂：只支援 GE 645 一種機器，無可移植性可言
1969 年，Bell Labs 經費吃緊，決定退出 Multics

退出後，Bell Labs 的研究員（Thompson、Ritchie、McIlroy 等）失去了好用的計算環境——他們在 Multics 上養成的互動式分時工作習慣，面對 IBM 7094 批次卡片投遞完全無法忍受。

破案的第一個線索來自一個遊戲：Thompson 在 Multics 上寫了一個太空旅行模擬遊戲 Space Travel，移植到 7094 上每玩一次要燒 $75 的機時。他發現角落裡一台閒置的 PDP-7（1964 年出品、18-bit、記憶體僅 8K words），決定把遊戲搬上去。為了讓遊戲有檔案系統，他順手用 PDP-7 組合語言寫了一個小型檔案系統，然後是程序載入器、shell、編輯器——一個作業系統就在一個人的閒暇時間裡誕生了。

同事 Brian Kernighan 開玩笑地把這個系統命名為 Unics（UNiplexed Information and Computing Service，Multics 的「單工版」反諷），後來拼法演化為 Unix。1970 年，團隊爭取到一台 PDP-11，Unix 正式在 Bell Labs 內生根。

線索與推理 -- 數學式、程式、理論#

1. Multics 的教訓：化繁為簡的設計公理#

Multics 的失敗給了 Unix 一個反面教材，團隊把它昇華為設計公理：

小即是美：單一功能、單一程式，而非無所不包的巨系統
一人可懂：整個系統的複雜度必須控制在一顆頭腦能容納的範圍

McIlroy 後來把這個哲學總結為：

「Write programs that do one thing and do it well. Write programs to work together. Write programs to handle text streams, because that is a universal interface.」

若以數學眼光看，Unix 哲學就是函數組合（function composition）的工程化：與其造一個萬能函數 $F$ ，不如造一群小函數 $f_1, f_2, \dots, f_n$ ，讓複雜任務表示為它們的組合：

\[ T = f_n \circ f_{n-1} \circ \cdots \circ f_1 \]

Multics 想造 $F$ （一個龐大而全知的系統），Unix 選擇了 $f_i$ 的組合。歷史判決：組合勝出。

2. Pipe：串流組合的發明#

Unix 哲學最有力的支撐是 McIlroy 提出、Thompson 在 1973 年實作的管線（pipe）。管線讓一個程式的標準輸出（stdout）直接接上另一個程式的標準輸入（stdin）：

grep "error" log.txt | sort | uniq -c | sort -rn | head -5

這行 shell 命令把五個各只做一件事的程式串成一個資料分析流水線，等價於數學上的：

\[ \text{result} = \text{head}_5 \circ \text{sort}_{-rn} \circ \text{uniq}_c \circ \text{sort} \circ \text{grep}_{error}(\text{log.txt}) \]

管線的深遠之處在於它強迫所有程式採用統一介面：文字流（text stream）。文字流是惰性、可串接、可增長的抽象——不像二進位格式需要預先定義 schema。用現代語言說，pipe 是惰性求值序列（lazy sequence）的最早工程實現；Python 的生成器串接是它的直系後裔：

import re
lines = (l for l in open('log.txt'))                 # cat
hits  = (l for l in lines if 'error' in l)           # grep
from collections import Counter
count = Counter(re.sub(r'\d+', 'N', h).strip() for h in hits)  # uniq -c
for k, v in count.most_common(5):                    # sort -rn | head
    print(v, k)

3. 一切皆檔案#

Unix 的第三大發明是檔案系統的統一抽象：磁碟、終端機、印表機、後來的行程間通訊（pipe、socket），全部以「檔案」的介面呈現。檔案就是一個可讀寫的位元組序列，存取介面只有三個基本操作：

\[ \text{File} \equiv \{ \text{open}, \text{read}, \text{write} \} \; (\pm \text{close}) \]

因此 read(fd, buf, n) 對磁碟檔案和對終端機是一樣的呼叫。這個抽象讓工具程式不需要知道資料從哪裡來、到哪裡去——輸入可以是磁碟、pipe 或鍵盤。這是「依賴注入」思想在作業系統層的原始形式。

4. Portability 與 C 重寫#

1972 年前，Unix 完全以 PDP-11 組合語言寫成，綁死在一種機器上——正是 Multics 的老毛病。Thompson 與 Ritchie 的解法是：用 1972 年新發明的 C 語言重寫 Unix（1973 年完成），把 Unix 從「某台機器的 OS」變成「一種架構無關的 OS」。到了 1970 年代末，把 Unix 移植到新機器的成本從「重寫數年」降為「修正數週」。可移植性讓 Unix 走出 Bell Labs、走進大學、走向全世界。

結案 -- 後果與影響#

譜系分化：1970 年代末 Unix 分為兩大譜系——AT&T 的 System V 與 UC Berkeley 的 BSD（Berkeley Software Distribution）。兩者競爭（「Unix 戰爭」）數十年，共同塑造了今天的 Unix 世界。
macOS 的血統：macOS 的核心 Darwin 以 Mach + BSD 為基礎，是經認證的 UNIX（Apple 於 2007 年起通過 UNIX 03 認證）。你在 Mac 上用的終端機、shell、grep、ssh，全是 Unix 血統。
Android 的血統：Android 核心是 Linux kernel——Linux 是 1991 年 Linus Torvalds 受 Minix（Tanenbaum 用來教 Unix 哲學的教學版 Unix）啟發的作品。全球數十億支 Android 手機、數百萬台伺服器，血統都源自 1969 年那台 PDP-7。
開源文化的起點：BSD 與 Unix 社群的原始碼共享文化，直接孕育了自由軟體運動（1983）與開源運動（1998）。
哲學傳承：do one thing well 與 pipe 哲學影響了 Go（Unix 精神的現代重譯）、Plan 9、以及今日的雲端工具鏈（kubectl | jq、Docker 的單一職責容器）。

關鍵人物與文獻#

Ken Thompson：Unix 之父、B 語言作者、UTF-8 共同發明人、圖靈獎得主（1983，與 Ritchie 同獲）；也 co-author 了 Go 語言。
Dennis Ritchie：C 語言之父、Unix 共同創建者；Thompson 寫功能，Ritchie 讓它可移植。
Doug McIlroy：pipe 概念的提出者，Unix 哲學的正式表述者。
Brian Kernighan：Unix 命名者、《The C Programming Language》第一作者、AWK 共同作者。
文獻：Ritchie & Thompson, "The UNIX Time-Sharing System", CACM, 1974；McIlroy et al., Bell System Technical Journal, 1978；Eric Raymond, The Art of UNIX Programming（2003）。