Unix, Linux, дистрибутиви

Навіщо це

Linux, macOS і Android — три різні системи, які поводяться підозріло схоже. Ті самі fork і exec, ті самі права rwx, ті самі конвеєри. При цьому спільного коду між ними майже немає.

Розбиратися, звідки взялася ця схожість, варто не з історичного інтересу. Це пояснює цілком практичні речі: чому програма збирається на одній системі й не збирається на іншій, чому Apple взяла код BSD, а не Linux, і чому ls на вашій машині може виявитися трьома різними програмами.

Unix: 1969

Multics, спільний проєкт MIT, Bell Labs і General Electric, мав стати системою поділу часу для сотень користувачів. Він розростався, запізнювався, і врешті Bell Labs із проєкту вийшла.

Кен Томпсон і Денніс Рітчі почали писати щось радикально простіше. Назва Unics була жартом над Multics: той робив складно і для всіх, а цей просто і для кількох.

У 1973-му ухвалили рішення, яке все й визначило: ядро переписали на C. Доти ядра писали асемблером, і кожне було прив’язане до однієї моделі машини. Ядро мовою високого рівня вдалося перенести на іншу архітектуру, і саме переносимість, а не витонченість дизайну, зробила Unix основою всього, що прийшло потім.

Філософія Unix виросла з обмежень тодішнього заліза, але пережила їх: маленькі програми, що добре роблять одну річ, текст як універсальний інтерфейс між ними, композиція замість монолітів, усе представлене файлом.

Розкол

З сімдесятих Unix розійшовся на дві гілки. System V була комерційною лінією AT&T, а BSD — розробкою Берклі, яка додала мережевий стек TCP/IP, сокети й віртуальну пам’ять. Чимало з того, чим користуються сьогодні, прийшло саме звідти.

У 1983-му Річард Столмен почав GNU, проєкт зі створення повністю вільного Unix-сумісного набору програм. На початок дев’яностих GNU мав компілятор, оболонку, бібліотеку C і сотні утиліт, але не мав робочого ядра.

Ядро написав у 1991-му Лінус Торвальдс. Коду Unix у ньому не було жодного рядка: це була незалежна реалізація тих самих інтерфейсів.

Чому Linux не є Unix, але поводиться як Unix

Схожість дає не спільний код, а спільний інтерфейс: ті самі системні виклики з тією самою семантикою. Формально Linux вважається «Unix-подібною» системою, бо сертифікацію UNIX® проходили інші — macOS, AIX, Solaris.

Практично ця формальність нічого не важить. Важить POSIX, стандарт, який описує системні виклики, оболонку й утиліти. Програма, написана строго за POSIX, збереться скрізь, а та, що покладається на розширення Linux, уже ні. Тому один і той самий ls має різні прапорці в Linux і macOS.

Ліцензія як технічне рішення

Долю систем ліцензія визначила не менше, ніж якість коду.

GPL, під якою вийшли Linux і GNU, вимагає відкривати зміни, якщо ви їх розповсюджуєте. Через це в Linux потекли вклади компаній, які не могли тримати свої правки закритими, і ядро стало спільним активом конкурентів.

BSD-ліцензія, навпаки, дозволяє брати код у закриті продукти без жодних зобов’язань. Тому мережевий стек BSD опинився всюди, а Apple побудувала macOS на основі BSD і Mach: узяти Linux означало б відкрити систему.

З тієї ж причини Android бере ядро Linux, бо GPL стосується ядра і зміни до нього відкриті, але GNU не бере: замість glibc там Bionic під BSD-ліцензією, та й решта простору користувача не є GPL.

З чого складається дистрибутив

Ядро саме по собі нічого не робить, у нього немає ні оболонки, ні утиліт. Дистрибутивом називають ядро плюс усе інше.

Складова	Приклади	Роль
Ядро	Linux	процеси, пам’ять, ФС, драйвери
Бібліотека C	glibc, musl, Bionic	обгортки над системними викликами
Система ініціалізації	systemd, OpenRC, runit	PID 1, запуск служб
Базові утиліти	GNU coreutils, BusyBox	ls, cp, cat
Оболонка	bash, zsh, ash	інтерфейс командного рядка
Менеджер пакетів	apt, dnf, pacman, apk	встановлення й оновлення

Замініть будь-який рядок цієї таблиці — отримаєте іншу систему. Alpine Linux бере musl замість glibc і BusyBox замість coreutils, через що образ виходить у десятки разів меншим, зате програми, зібрані під glibc, там просто не запускаються. Це, до речі, найчастіша причина славнозвісного «у Docker не працює, а локально працює».

Родини

Debian і похідні (Ubuntu, Mint) використовують apt і формат .deb, а роблять ставку на стабільність і величезний репозиторій.

Red Hat і похідні (RHEL, Fedora, Rocky) — це dnf і формат .rpm, де Fedora слугує полігоном для того, що згодом потрапляє в RHEL.

Arch віддає пакети одразу після релізу, а систему користувач збирає собі сам із мінімуму.

Alpine побудований на musl і BusyBox заради мінімального розміру й став через це стандартом для контейнерів.

NixOS описує конфігурацію системи декларативно, тому оновлення відкочується цілком.

Сусіди

macOS є сертифікованим UNIX. Ядро XNU поєднує мікроядро Mach і підсистему BSD, а простір користувача походить від BSD, не від GNU.

Android використовує ядро Linux зі значними змінами: wakelocks, Binder для міжпроцесного зв’язку, окрема модель дозволів. Замість glibc там Bionic, а замість звичного набору утиліт — середовище виконання ART.

WSL2 запускає справжнє ядро Linux у полегшеній віртуальній машині поверх Hyper-V. Перша версія WSL пробувала транслювати системні виклики Linux у виклики Windows і наштовхнулася рівно на те, про що йшлося в модулі 3: відтворити чуже ABI повністю неймовірно важко.

Як це насправді в Linux

uname -r; cat /etc/os-release | head -3

Версія ядра і версія дистрибутива — незалежні числа. Одне ядро працює під десятками дистрибутивів.

ldd --version | head -1; ldd /bin/ls

Яка бібліотека C використовується і з чим злінковано ls. На Alpine ці команди дадуть зовсім інший результат.

readlink -f /bin/sh

Куди насправді вказує /bin/sh. У Debian це dash, а не bash — і скрипт із #!/bin/sh, який використовує розширення bash, зламається.

ls /usr/bin | wc -l; dpkg -S /bin/ls 2>/dev/null || rpm -qf /bin/ls 2>/dev/null

Скільки програм у системі і з якого пакета прийшла конкретна. Ядро не має до жодної з них стосунку.

ps -p 1 -o comm=

Що працює як PID 1 — systemd, init чи щось інше (модуль 5).

getconf _POSIX_VERSION

Версія POSIX, якої дотримується система.

Типові помилки розуміння

«Linux — це операційна система». Linux є ядром. Операційною системою буде дистрибутив: ядро плюс бібліотека C, ініціалізація, утиліти й тисячі пакетів.

«Linux походить від Unix». Спільного коду в них немає. Linux — незалежна реалізація тих самих інтерфейсів, тож спорідненість тут інтерфейсна, а не генеалогічна.

«POSIX означає, що програма запуститься скрізь». Означає, що запуститься програма, яка за межі POSIX не виходить. Більшість реального коду використовує розширення конкретної системи.

«Android — дистрибутив Linux». Ядро Linux там справді є, а GNU немає: інша бібліотека C, інше середовище виконання, інша модель дозволів.

«macOS побудований на Linux». Він побудований на BSD і Mach, а схожість команд пояснюється спільним предком, не спільним кодом.

«У контейнері не працює, бо Docker зламався». Найімовірніше, образ зібраний на Alpine з musl, а програма — під glibc.

Перевір себе

1. Яке рішення 1973 року зробило Unix основою для всього, що прийшло далі?

Додавання графічного інтерфейсуПереписування ядра на C, завдяки чому його вдалося перенести на інші архітектуриПерехід на вільну ліцензіюВпровадження віртуальної памʼяті

2. Чому Linux поводиться як Unix, не містячи жодного рядка його коду?

Код було відтворено за витокамиLinux є незалежною реалізацією тих самих інтерфейсів — системних викликів із тією самою семантикоюAT&T передала код у вільний доступНасправді спільний код є

3. Чому Apple побудувала macOS на BSD, а не на Linux?

BSD технічно кращийЛіцензія BSD дозволяє використати код у закритому продукті, GPL вимагала б відкрити зміниLinux тоді ще не існувавBSD краще підтримував процесори Apple

4. Програма працює локально, але падає в контейнері на базі Alpine. Найімовірніша причина?

Alpine не підтримує потокиAlpine використовує musl замість glibc, а програма зібрана під glibcУ контейнері інше ядроБракує прав доступу

5. Скрипт із #!/bin/sh використовує синтаксис bash і падає на Debian. Чому?

У Debian немає bash/bin/sh у Debian вказує на dash, який не підтримує розширень bashСкрипт не має прав на виконанняDebian забороняє скрипти оболонки

6. Що таке дистрибутив Linux?

Інша назва ядра LinuxЯдро плюс бібліотека C, система ініціалізації, утиліти, оболонка й менеджер пакетівГрафічна оболонка над ядромКомерційна версія Linux

Джерела

• The UNIX Time-Sharing System — Рітчі й Томпсон, 1974
• Раймонд, The Art of Unix Programming — про філософію Unix
• Айзексон, Інноватори — історія галузі як історія людей
• Nemeth та ін., UNIX and Linux System Administration Handbook
• man 7 standards, getconf _POSIX_VERSION