有一次，我跟我的親戚有一場爭論，是關(guān)于讀一個計算機科學(xué)的學(xué)位是否值得。當時是我在大學(xué)里面臨是否選擇計算機科學(xué)專業(yè)的時候。我姑姑和一個表哥認為我不該選。他們覺得會編程當然是個既有用又合算的事情，但是他們也堅信，計算機科學(xué)更新太快了，當下學(xué)到的知識會很快被淘汰掉。所以最好是選一門編程的課程，然后主修經(jīng)濟或者物理這種基本知識一輩子都適用的專業(yè)。

我并不相信他們的理論，并且選擇了主修計算機專業(yè)（抱歉了姑姑和表哥！）其實不難看出，為什么常人會認為計算機科學(xué)，或者軟件工程這樣的專業(yè)，每幾年就會更新?lián)Q代。先是誕生了私人計算機，然后是網(wǎng)絡(luò)，手機，機器學(xué)習……科技永遠在變化，那么其潛在的技術(shù)原理當然也在變化了。當然，最讓人驚訝的是，這些基礎(chǔ)技術(shù)原理，其實基本沒變。我相信大部分人要是知道他們計算機中重要軟件到底有多老，肯定會震驚。我并不是說軟件的表面，畢竟我自己用的最多的火狐瀏覽器，兩周前才更新過。但是如果你打開幫助手冊查看grep之類的工具，你會發(fā)現(xiàn)它的上一次更新還是在 2010 年（至少 Mac 系統(tǒng)是這樣）。grep的初代誕生于 1974 年，那時候的計算機時代好比侏羅紀?，F(xiàn)如今，人們（以及程序）在工作中仍然要依賴 grep 做很多事情。

我姑姑和表哥把計算機科技想象成一系列沙灘上的城堡，漲潮時潮水抹去舊的城堡，更加華麗的新城堡又會被建成。其實在現(xiàn)實中的很多領(lǐng)域，我們都是不斷地在現(xiàn)有的程序基礎(chǔ)上進行迭代。我們也許會時不時的修改這些程序來避免軟件崩潰，但是除此之外這些程序不需要額外的維護。grep是一個簡單的程序，它所解決的問題現(xiàn)在也有意義，所以它至今還存在。很多應(yīng)用程序的編寫都起始于一個很高的角度，就像是在金字塔頂端的基礎(chǔ)上構(gòu)建，而金字塔本身是由曾經(jīng)解決問題的答案所建成的?，F(xiàn)在看來很陳舊的，三四十年前的想法與概念，在很多時候都融入到了你現(xiàn)在計算機上安裝了的應(yīng)用程序里。

我想仔細研究一個這樣的老程序，看看它從誕生到現(xiàn)在到底被修改了多少次，這肯定很有趣。我想用cat這個最簡單的 Unix 工具來作為例子。Ken Thompson 在 1969 年開發(fā)了初代cat。如果我跟別人說我計算機里有個 1969 年的程序，這準確嗎？cat在這幾十年里到底經(jīng)歷了幾次迭代？我們計算機里的程序到底有多古老？

幸好有這個代碼倉庫，我們可以清晰地了解到，從 1969 年以來，cat是如何進化的。我接下來會主要聚焦于我自己 Macbook 上cat程序的歷史實現(xiàn)方式。你會看到，cat歷史從最初的 Unix 版本，到現(xiàn)在的 Mac 版本，這個程序被重寫了比你預(yù)想的還要多的次數(shù)，但是最終它所實現(xiàn)的功能幾乎跟五十年前一模一樣。

Unix實驗版本

1969 年，Ken Thompson 和 Dennis Ritchie 開始在 PDP 7 上開發(fā) Unix。這是在 C 語言出現(xiàn)之前，所以早期的 Unix 程序都是用 PDP 7 上用匯編語言開發(fā)的。他們使用了專門針對于 Unix 的匯編版本，因為 Ken Thompson 開發(fā)了自己的匯編編譯器，他在 PDP 7 出廠商DEC 提供的編譯器基礎(chǔ)上添加了新的功能。Thompson 的改進文檔在初始Unix 編程手冊中有收錄，在as編譯器條目下面。

cat的初代實現(xiàn)使用了 PDP 7 匯編語言。我有添加一些注釋來解釋每行命令，但是除非你明白 Thompson 編寫匯編編譯器的一些擴展，不然這個程序還是很難理解。這里有兩個重要的點。第一，字符;可以被用于分隔同一行的聲明語句。根據(jù) sys 指令的描述，;通常被用于在同一行使用系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)。第二，Thompson 添加了數(shù)字 0-9 用于支持“暫存標記”。這些標記可以被整個程序重用，這就像 Unix 編程手冊所描述的，“對于程序員思維和匯編語言字符空間的縮減優(yōu)化”。從手冊中，你可以使用nf來表示下一個標記n，用nb來表示上一個標記n。舉個例子，如果你有個標記為1:的代碼塊，你可以從相距很遠的下方代碼中使用jmp 1b來往上跳回標記代碼。(但是你不能往下跳到標記代碼，除非你使用jmp 1f。)

關(guān)于初代cat最有意思的是，它包含了兩個我們熟知的名字，分別是一個標記為是一個標記為getc，和一個標記為putc的代碼塊，這表示這倆名字要比標準 C 語言庫都要歷史久遠。初代cat實際上包含了這兩個方法的實現(xiàn)。這樣的實現(xiàn)方式使得輸入字符可以被寫入緩沖區(qū)，也就是說，讀和寫不需要以單個字符為單位完成。

初代cat并沒有存在很久。Ken Thompson 和 Dennis Ritchie 成功勸說了貝爾實驗室?guī)退麄冑徣肓艘慌_ PDP11，以便于他們對 Unix 系統(tǒng)進行擴展與提高。PDP 11 使用的是一種不同的指令集，因此他們不得不重寫cat。對于第二代cat代碼我也加了注釋。第二代使用了針對于新指令集的新版匯編助記符，也利用了 PDP 11中不同的地址模式。（那些源代碼中的括號和$符號，是被用來指代不同的地址模式的。）但是cat第二代中也同樣使用了初代中的;和暫存標記，這些功能一定是在 PDP 11 中移植as時被保留了下來。

cat的第二代源代碼遠比初代要簡潔很多。第二代也更加的”Unix-y”，因為它不再需要一串文件名作為命令參數(shù)，而是與如今的cat一樣，在沒有參數(shù)的情況下，從stdin讀取輸入。對于二代cat，你也可以使用參數(shù)來指定從stdin讀取輸入數(shù)據(jù)。

1973 年，為了準備發(fā)布第四版 Unix，很大一部分 Unix 系統(tǒng)都用 C 語言重寫了一遍。但是 C 語言版本的cat在 Unix 發(fā)布后過了一段時間才出現(xiàn)。第一個 C 語言版本的cat只出現(xiàn)在第七版 Unix 系統(tǒng)中。這個實現(xiàn)方法非常值得一讀，因為它非常簡單明了。與其他版本比較，這一版最能作為代表cat的 K&R C 語言教育演示版本。這段程序的核心就是如下兩行：

while((c = getc(fi)) != EOF)

putchar(c);

當然還有更多的代碼，但是除了這兩行以外，剩下的邏輯更多的是在確保用戶不會同時讀寫同一個文件。另一個有意思的地方是，這個版本的 cat 只認得一個標記，-u。這個 -u 標記可以被用于關(guān)閉輸入輸出緩沖區(qū)，不然 cat 會默認緩存 512 字節(jié)。

伯克利軟件套件/BSD

在第七版之后，Unix 催生了各種各樣的衍生品。MacOS 是基于 Darwin 系統(tǒng)的，而 Darwin 是基于伯克利軟件套件（BSD），因此 BSD 是我們最感興趣的 Unix 分支。BSD 最初是作為Unix附加功能的軟件合集，但是它最終成為了一個完整的操作系統(tǒng)。BSD似乎一直在用cat的初代版本，一直到第四版 BSD 發(fā)布為止。第四版 BSD 也就是 4BSD，它添加了對于新標記的支持。4BSD 版本的 cat 能明顯的看出是初代的衍生品，不過它添加了一些新的函數(shù)用來實現(xiàn)用新標記觸發(fā)的功能。4BSD 文件系統(tǒng)的命名方法是基于 fflg 這個變量的，fflg 用于標記指令的輸入是從文件，還是 stdin 讀取的。繼 fflg 之后，nflg、bflg、vflg、sflg、eflg 和 tflg 也被用于記錄程序中的標記是否被用到。這些命令行標記是 cat 添加的最后一批標記；如今至少在 Mac 系統(tǒng)中的 cat 命令行手冊有列出來這些標記。4BSD 是在 1980 年發(fā)布的，所以這一系列的標記有 38 歲了。

cat 最后一次被重寫是為了 BSD Net/2，這主要是為了避免軟件許可證問題，因此所有 AT&T Unix 衍生代碼都被替換為了新代碼。BSD Net/2 在 1991 年發(fā)布。最后一次重寫是由 Kevin Fall 完成的，Kevin Fall 于 1988 年畢業(yè)于伯克利，之后他花了一年的時間在計算機系統(tǒng)研究院（CSRG）工作了一年。Fall 告訴我，用 AT&T 代碼寫的 Unix 工具集列表被掛在了 CSRG 的一面墻上，員工們被告知可以選擇感興趣的工具重寫。Fall 選擇了 cat 和 mknod。在如今 Mac 系統(tǒng)的默認 cat 版本中，F(xiàn)all 的名字排在開發(fā)者名單前列。他所編寫的 cat，雖然是個很簡單的程序，但是直到今年還有數(shù)百萬的用戶在使用。

Fall 所寫的 cat 源代碼比我們之前看到的版本要長許多。除了支持 -? 幫助標記，這一版并沒有添加新的功能。理論上來說，這一版代碼與 4BSD 版本非常相似。代碼之所以長，是因為 Fall 分開了“舊版”和“新版”的邏輯?！芭f版”是典型的 cat；它一個字符一個字符的輸出。“新版”的 cat 包括了 4BSD 命令行選項。這樣的分割很有道理，但是使得代碼在第一眼看上去比實際復(fù)雜很多。代碼的最后有個華麗的錯誤處理方程，這也增加了代碼長度。

MacOS

2001 年，蘋果公司發(fā)布了 Mac OS X 系統(tǒng)。這次發(fā)布對于蘋果公司來說非常重要，因為他們花了很多年，走了不少彎路，為了研發(fā)能夠取代存在了很多年的舊版 Mac OS 系統(tǒng)。蘋果公司內(nèi)部曾經(jīng)有過兩次研發(fā)新系統(tǒng)的嘗試，但是最終都沒能成功；后來，蘋果收購了史蒂夫·喬布斯的公司 NeXT，他們公司開發(fā)了一款名為 NeXTSTEP 的，基于面向?qū)ο缶幊炭蚣艿牟僮飨到y(tǒng)。蘋果決定使用 NeXTSTEP 作為Mac OS X 的基礎(chǔ)。NeXTSTEP 的一部分是基于 BSD 開發(fā)的，所以用 NeXTSTEP 作為 Mac OS X 的基礎(chǔ)，同時也給蘋果系統(tǒng)帶來了 BSD 代碼風格。

新發(fā)布的第一版 Mac OS X中包含了來自 NetBSD 項目的 cat 代碼實現(xiàn)。NetBSD 項目如今仍在不斷開發(fā)中，它最初是來自 386BSD 的分支。而 386BSD 是直接基于 BSD Net/2 的。所以 Mac OS X 上的 cat 就是 Kevin Fall 所寫的 cat。唯一變化的是，Kevin Fall 寫的錯誤處理函數(shù) err() 被替換成了 err.h 中的 err()。err.h 是 BSD 基于 C 語言標準庫的擴展。

NetBSD 版本的 cat 在不久之后被 FreeBSD 版本取代了。根據(jù)維基百科，蘋果從 Mac OS X 10.3 (Panther)開始，使用 FreeBSD 來取代 NetBSD。但是 Mac OS X 版本的 cat，根據(jù)蘋果的開軟發(fā)布記錄，一直到 2007 年發(fā)布 Mac OS X 10.5 (Leopard) 才被取代。蘋果為了發(fā)布 Leopard 而引進的 FreeBSD 的實現(xiàn)版本一直被沿用到了今天。從 2007 一直到 2018 年，這一版沒有做過任何升級或者改變。

所以說 Mac OS 中的 cat 是古老的。實際上 cat 的出現(xiàn)，比 2007 年的正式發(fā)布時間還早兩年。2005 年的改動，在 FreeBSD 的Github 鏡像中可以看到，是 cat 被移植到 Mac OS X 之前 FreeBSD 版的最后一次更新。所以 Mac OS X 中 cat 實際上有 13 年的歷史了，它并沒有與 FreeBSD 的 cat 進行同步更新。這里有過一個辯論，軟件到底被改動過幾次才算是一個新的軟件呢；就 cat 這個個例來看，它的源代碼從 2005 年開始就完全沒有改變過了。

如今 Mac OS 系統(tǒng)中的 cat 與 Fall 在 1991 年為 BSD Net/2 所寫的版本并沒有太多不同。最大的不同是添加了一個新的函數(shù)用來支持 Unix 上的套接字。一個 FreeBSD 的開發(fā)者認為 Fall 所寫的 raw_args() 函數(shù)應(yīng)該與 cook_args() 合并為一個函數(shù) scanfiles()。除此之外，最核心的部分還是 Fall 的代碼。

我問過 Fall，有幾百萬蘋果用戶在使用你所寫的 cat，還有很多程序直接或者間接依賴 cat，對此你有什么感想。如今已經(jīng)是顧問兼最新版 TCP/IP 協(xié)議合作者的 Fall 表示，人們對他開發(fā) cat 的經(jīng)歷如此的感興趣，讓他覺得非常驚訝。Fall 曾經(jīng)在計算領(lǐng)域工作過很久，并且有過很多有影響力的項目經(jīng)歷。但是似乎人們對于他在 1989 年開發(fā) cat 的那六個月更加感興趣。

百歲程序

縱觀歷史上各種偉大的發(fā)明，計算機的歷史并沒有很久。我們?nèi)匀辉谑褂糜兄倌隁v史的照片和膠卷。但是計算機軟件是另外一個類別——目前仍屬于高新科技。至少現(xiàn)在的軟件是這樣。隨著計算機產(chǎn)業(yè)日漸成熟，我們會不會有一天發(fā)現(xiàn)，我們在使用有著百年歷史的軟件呢？

計算機硬件最終也會更新?lián)Q代，現(xiàn)在的軟件想必是沒法跑在一個世紀以后的硬件上。也許高級語言設(shè)計的進步，也會導(dǎo)致在將來沒有人會使用 C 語言，而 cat 也會被其他的語言重寫。（不過 C 語言已經(jīng)存在了五十年了，估計短期內(nèi)也不會被取代。）不考慮以上這些的話，不如我們就一直用現(xiàn)在這版 cat 吧。

我認為，cat 的歷史告訴我們，在計算機科學(xué)領(lǐng)域有一些思想是非常耐用的。實際上，對于 cat，它的代碼和思想都是很多年前出現(xiàn)的。要說我計算機中的cat是1969年的其實并不準確。但如果說我計算機中的 cat 是 1989 年 Fall 開發(fā)的，就準確多了。很多軟件都很古老。也許我們不能單純的認為計算機科學(xué)和軟件開發(fā)是不斷更新?lián)Q代的領(lǐng)域。我們所開發(fā)的系統(tǒng)都是基于歷史基礎(chǔ)的。在某些時候，我們在開發(fā)新代碼的同時，也需要去花時間去理解和維護歷史代碼。