9front 操作系统技术分析
一、概述
1. 项目背景
A. Plan 9 的起源
Plan 9 是一个诞生于贝尔实验室计算科学研究中心的研究型操作系统，由同一批创造 UNIX 的研究人员开发。该项目始于 20 世纪 80 年代末，其早期发展与 Research UNIX 后续版本的开发并行进行。
B. 设计理念
Plan 9 可以被视为将 UNIX 的某些核心理念推向极致的尝试，旨在适应网络化和图形化时代。Rob Pike 曾将 Plan 9 描述为"关于简洁性和清晰性的论证"，而其他人则称其为"UNIX，只是更加彻底"。
2. 核心架构
graph TB
subgraph "Plan 9 分布式环境"
Terminal[终端] -->|连接| CPU[CPU 服务器]
Terminal -->|访问| FileServer[文件服务器]
CPU -->|存储| FileServer
end
subgraph "用户界面"
WindowSystem[窗口系统] --> Display[光栅显示器]
end
Terminal --> WindowSystem
3. 两大核心设计理念
A. 私有命名空间
每个进程都可以构建唯一的层次化文件系统视图。这是 Plan 9 与传统 Unix 系统的根本区别之一。在标准系统中，无论是 Unix 远程文件系统还是 Windows 附加文件系统，同一机器上运行的所有程序看到的是相同的内容。而在 Plan 9 中，这是可针对每个程序进行调整的。
B. 文件接口
所有资源在 Plan 9 中都表现为文件系统。这意味着所有设备都通过 ASCII 字符串控制，而非复杂的数据结构。例如，网络调用通过写入 ASCII 字符串完成，而非二进制文件。
二、系统架构
1. 分布式计算模型
根据 intro(1) 手册页的定义：
Plan 9 是一个分布式计算环境，由作为终端、CPU 服务器和文件服务器的独立机器组装而成。用户在终端上工作，在光栅显示器上运行窗口系统。某些窗口连接到 CPU 服务器，目的是在这些窗口中进行繁重的计算，但也可以在终端上进行计算。独立的文件服务器为终端和 CPU 服务器提供文件存储。
2. 资源抽象
graph LR
App[应用程序] -->|访问| Namespace[私有命名空间]
Namespace -->|挂载| FileSys[文件系统接口]
FileSys -->|统一协议| Resources[各类资源]
Resources --> Dev[设备文件]
Resources --> Net[网络接口]
Resources --> Proc[进程接口]
Resources --> Mail[邮件系统]
3. 典型应用场景
A. 文件服务器示例
- upas/fs：将邮箱表示为 /mail/fs/mbox 处的文件树，特别适合建模 MIME 消息的递归结构
- cdfs：将音频或数据 CD 表示为文件系统，每音轨一个文件
- ftpfs：FTP 作为文件服务器提供，服务器上的文件出现在 /n/ftp 中
B. 网络资源共享
Plan 9 非常适合网络化环境，文件和目录树可以从其他机器导入，所有资源都是文件或目录树，因此易于共享资源。例如：
- 使用不同机器的声卡：导入其 /dev/audio
- 调试另一台机器上运行的进程：导入其 /proc
- 使用另一台机器的网络接口：导入其 /net
三、Plan 9 与 Unix 的关系
1. 不是 Unix
根据贝尔实验室 Plan 9 wiki 的说明：
Plan 9 不是 Unix。如果你把它当作 Unix，当某些功能不存在或工作方式与预期不同时，你可能会感到沮丧。然而，如果你把它当作 Plan 9，你会发现它的大部分功能运行得非常顺畅，并且有一些真正巧妙的想法使事物比以前见过的更加简洁。
2. 继承与创新
A. 直接继承的组件
许多 Unix 命令在 Plan 9 上存在并且行为相似。事实上，Plan 9 的部分用户空间是直接从 Research UNIX 第十版继承过来的，包括：
- upas 邮件接口
- sam 文本编辑器
- rc shell
B. 根本性重新设计
Plan 9 是一个全新的操作系统，不试图符合过去的偏见。其目的是避免过去的问题并探索新领域。Plan 9 不是 UNIX 是有原因的。
3. 与其他项目的区别
A. 不是 plan9port
Plan 9 from User Space（也称为 plan9port 或 p9p）是 Plan 9 库和应用程序到 Unix 类操作系统的移植。plan9port 由基本未修改的 Plan 9 用户空间工具打包而成，同时使用各种 Unix 程序和命令尝试模仿 Plan 9 的内核接口。这些模仿有些更成功，有些不那么成功。
B. 不是 Inferno
Inferno 也是贝尔实验室创建的分布式操作系统，它采用了 Plan 9 的许多想法（包括兼容的 9P/Styx 协议），但是一个完全不同的操作系统。
四、Plan 9 家族
1. 主要分支
graph TB
Plan9[Plan 9 from Bell Labs] --> 9legacy[9legacy]
Plan9 --> 9atom[9atom]
Plan9 --> 9front[9front]
Plan9 --> Plan9Port[Plan 9 from User Space]
Plan9 --> Inferno[Inferno]
9front --> NIX[NIX]
9front --> r9[r9]
Inferno --> Akaros[Akaros]
Plan9 -.继承| Harvey[Harvey]
Plan9 -.继承| Jehanne[Jehanne]
Plan9 -.继承| ANTS[ANTS]
2. 各分支简介
A. 原始 Plan 9
- Plan 9 from Bell Labs：原始版本，实际上已死，所有开发者都已离开实验室
- 9legacy：David du Colombier 收集的贝尔实验室 Plan 9 补丁集（不是分支，但被愤怒于 9front 的人们视为贝尔实验室 Plan 9 的延续）
- 9atom：Erik Quanstrom 的 Plan 9 分支，前根据 Erik 的需求维护，偶尔被 9front 借用
B. 活跃分支
- 9front：当前最活跃的分支，自称"我们是隧道蛇"
- NIX：高性能云计算操作系统，曾崩溃但幸存并适应了 9front
- Harvey：使 Plan 9 代码与 gcc 和 clang 兼容的努力，2023 年失败，由 r9 继任
- r9：基于 Plan 9 需要用无法在 Plan 9 上编译的语言从头重写的想法的项目
C. 相关项目
- Inferno：贝尔实验室开始的分布式操作系统，现在由 Vita Nuova Holdings 开发和维护为自由软件
- Akaros：针对多核架构的开源 GPL 许可操作系统
- Jehanne：Harvey 的继任者
- ANTS：为 Plan 9 添加新命名空间操作能力的修改和附加软件集合
五、许可证演变
1. 许可证历史时间线
timeline
title Plan 9 许可证演变
1992 : 第一版 : 仅限大学使用<br>获取流程复杂
1995 : 第二版 : 书+CD 形式<br>约 350 美元
2000 : 第三版 : 自定义开源许可证<br>Richard Stallman 批评
2002 : 第四版 : Lucent Public License<br>Theo de Raadt 批评
2014 : 部分代码 : GPLv2 授权<br>与 Akaros 一起分发
2021 : 全部历史版本 : MIT 许可证<br>Plan 9 Foundation 推动
2. 关键事件
A. Richard Stallman 的批评（2000年）
当 Plan 9 第三版作为"开源"发布时，Richard Stallman 研究许可证后的结论是它不是自由软件，包含几个对自由软件运动完全不可接受的限制。
B. Theo de Raadt 的批评（2003年）
针对 Lucent Public License，OpenBSD 创始人 Theo de Raadt 表示：
- 这个许可证对 BSD 项目来说完全不可接受
- 这不是一个使其自由的许可证，而是一个带有后果的合同
C. 2021 年 MIT 许可证
Plan 9 Foundation 说服 Nokia 将所有历史版本的 Plan 9 源代码重新授权为 MIT Public License。作为结果，9front 的全部内容现在都在 MIT 许可证下提供，除非另有说明。
D. 商标问题
Brantley Coile 注意到 Plan 9 商标已于 2020 年 11 月 25 日过期并购买了它。这发生在 Plan 9 版权转让给 Plan 9 Foundation（2021 年 3 月 23 日）之前。
六、为什么 Plan 9 没有取代 Unix
1. 创作者放弃的原因
A. Russ Cox 的观点
我在 2002 年左右之前一直将贝尔实验室的 Plan 9 作为日常工作环境。到那时，两个事实已经非常清楚。首先，互联网已经留下来；其次，Plan 9 没有希望跟上网络浏览器。将 Mozilla 移植到 Plan 9 的工作量太大，所以我将几乎所有的 Plan 9 用户级软件移植到了 FreeBSD、Linux 和 OS X。
操作系统和编程语言有很强的网络效应：使用与你周围其他人相同的系统会有所帮助。在我所在的 MIT 小组中，这意味着 FreeBSD 和 C++。我在 MIT 的头几年使用 Plan 9，但放弃了，因为缺乏共享系统使协作太困难。
B. Rob Pike 的观点
我加入 Google 后大约一年将 Plan 9 作为本地操作系统使用，但在没有 C++ 编译器、没有良好的 NFS 和 SSH 支持，特别是没有网络浏览器的机器上生活太不方便了。我切换到 Linux，但发现它有很多错误，我的主要合作者已经做了在 Google 内部将 Mac 作为主要机器的基础工作，Russ 已经有了 plan9port，所以我将 plan9port 推到了 Mac 上，从此一直在那里，非常快乐。
2. 根本原因分析
A. 网络浏览器的兴起
21 世纪初，互联网和 Web 浏览器成为计算的核心。Plan 9 在这方面无法跟上。
B. 软件生态系统的缺失
缺乏现代应用软件，包括：
- 现代浏览器（如 Mozilla）
- 开发工具（如 C++ 编译器）
- 网络工具（如良好的 NFS 和 SSH 支持）
C. 网络效应
操作系统具有很强的网络效应，使用与周围其他人相同的系统更容易协作。
3. Plan 9 的遗产
尽管 Plan 9 本身没有取代 Unix，但它的许多思想和工具通过其他方式延续：
A. plan9port 的成功
plan9port.tgz 文件在 2009 年从 2522 个唯一 IP 地址下载，这比 Plan 9 本身要多得多。从这个意义上说，很高兴看到这些工具比以前获得了更广泛的曝光。
B. 工具的移植
许多 Plan 9 的用户空间工具被移植到其他系统：
- sam：强大的文本编辑器
- acme：用户界面
- rc shell：命令解释器
七、Plan 9 不是为谁设计的
1. 目标用户定位
让我们完全诚实地说。许多今天被"计算机专家"认为是计算必不可少的功能（JavaScript、CSS、HTML5 等）在 Plan 9 被其创建者放弃时要么不存在，要么被故意排除在操作系统之外。如果你无法想象不涉及 Web 浏览器的计算机用途，Plan 9 可能不适合你。
2. 新用户的典型反应
John Floren 提供了一个典型新用户对 Plan 9 的反应：
- 我对使用这个新的 Linux 系统感到很兴奋
- 我如何运行 X11
- Emacs 在哪里
- 代码很奇怪，看起来完全不像 GNU C。编写 Plan 9 的人知道 C 吗
- 我尝试运行 mozilla 但不起作用。为什么
八、为什么选择 Plan 9
1. 一致性和易用性
Russ Cox 的观点：
Plan 9 提供了一致且易于使用的接口。一旦安顿下来，这里很少有意外。我从 Windows 3.1 切换到 Linux 后，注意到 Windows 3.1 中各种不一致的行为在 Linux 中没有。从 Linux 切换到 Plan 9 突出了 Linux 中同样多的问题。
2. 系统级设计的优势
Plan 9 小组有幸拥有整个系统，因此问题可以在应该修复的地方修复，功能可以在应该添加的地方添加，而不是在可以添加的地方添加。例如，内核中没有 tty 驱动程序。窗口系统处理终端输入的细微差别。
3. 用户级文件服务器
由于文件树的部分可以由用户级服务器提供，内核不需要了解 DOS 的 FAT 文件系统或 GNU/Linux 的 EXT2 文件系统或 NFS 等内容。相反，用户级服务器在需要时提供此功能。在 Plan 9 中，甚至 FTP 也作为文件服务器提供：运行 ftpfs，服务器上的文件出现在 /n/ftp 中。
九、学习资源
1. 官方文档
- Plan 9 项目官方网站：https://9p.io/wiki/plan9
- Plan 9 Foundation：http://p9f.org
- 9front 官方网站：http://9front.org
- 9front 社区 wiki：http://wiki.9front.org
2. 推荐书籍
- 《Introduction to OS Abstractions Using Plan 9 From Bell Labs》，作者 Francisco J Ballesteros（nemo）
- 《Notes on the Plan 9 3rd Edition Kernel》，作者 Francisco J Ballesteros
- 《The UNIX Programming Environment》，作者 Brian W. Kernighan 和 Rob Pike
- 《9FRONT DASH 1》（即本文档的书籍形式）
3. 在线资源
- cat-v.org：关于 UNIX、Plan 9 和软件的一般方面的宝贵信息