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什麼是 macOS：從 Classic Mac OS 到 Mac OS X 的史詩級過渡

結合 UNIX 的強大威力與精緻的 GUI。探討從協同式多工到搶占式多工的轉變、NeXTSTEP 的遺產，以及 Rosetta 架構的演進

什麼是 macOS：從 Classic Mac OS 到 Mac OS X 的史詩級過渡

Apple 的桌上型作業系統 macOS 受到全球數億使用者的喜愛。然而，在如今精緻的 macOS 背後，隱藏著作業系統歷史上最引人注目且技術上充滿挑戰的過渡期。

本文將深入探討從 Classic Mac OS（直到 Mac OS 9）到 Mac OS X（現在的 macOS）的史詩級過渡過程，以及支撐它的核心技術。

Classic Mac OS 的極限：協同式多工 (Cooperative Multitasking)

1984 年與第一代 Macintosh 一同登場的 Mac OS，提供了當時革命性的圖形使用者介面 (GUI)。然而，隨著時代的推移，其底層架構的極限開始顯露。

最大的原因在於協同式多工 (Cooperative Multitasking) 和缺乏記憶體保護 (Memory Protection)。

什麼是協同式多工？

在協同式多工中，是由應用程式本身而非 OS 來管理 CPU 的控制權。當應用程式 A 正在處理時，應用程式 B 必須等待 A 自願「將 CPU 交還給 OS (Yield)」為止。

  graph TD
    OS["作業系統 (Operating System)"]
    AppA["應用程式 A (使用中)"]
    AppB["應用程式 B (等待中)"]

    OS -- "轉交控制權" --> AppA
    AppA -- "處理完成・Yield" --> OS
    OS -- "轉交控制權" --> AppB

如果應用程式 A 當機或陷入無限迴圈而未交還控制權，整個 OS 就會凍結。使用者不得不強制重新啟動，未儲存的資料也會跟著遺失。對於當時的 Mac 使用者來說，帶有炸彈圖示的系統錯誤是家常便飯。

Mac OS X 的誕生：UNIX 的威力與搶占式多工 (Preemptive Multitasking)

Apple 在開發次世代 OS 時，經歷了內部開發專案 (Copland) 的失敗，隨後做出了收購由 Steve Jobs 創立的 NeXT 公司的歷史性決定。NeXT 的主力產品「NeXTSTEP」正是 Mac OS X 的基礎。

Mac OS X（後來的 macOS）內部搭載了稱為 Darwin 的類 UNIX 作業系統（基於 FreeBSD 和 Mach 微核心）。這從根本上解決了 Classic Mac OS 的弱點。

搶占式多工帶來的穩定性

OS X 帶來的最大好處之一就是搶占式多工 (Preemptive Multitasking)。

在搶占式多工中，OS 的核心 (Kernel) 擁有絕對的權限，會以毫秒為單位將 CPU 時間分配給每個應用程式。即使應用程式凍結，核心也能強制奪取 CPU 的控制權，並將其分配給其他應用程式。

此外，透過導入記憶體保護 (Memory Protection)，每個應用程式都擁有了獨立的記憶體空間。即使一個應用程式當機，也不會牽連其他應用程式或整個 OS。

NeXTSTEP 的遺產：Cocoa API 的崛起

向 Mac OS X 的過渡對開發者來說也是一次重大的典範轉移。Apple 為了讓開發者能為新 OS 構建應用程式，提供了兩個主要的 API 選擇。這就是 Carbon 和 Cocoa。

  1. Carbon：將 Classic Mac OS 的 API 移植並調整為 OS X 適用的 C 語言基礎 API。這是為了讓現有應用程式（如 Photoshop 和 Microsoft Office）相對容易地支援 OS X 的橋樑。
  2. Cocoa：繼承自 NeXTSTEP，基於 Objective-C 的純物件導向 API。

Cocoa 原封不動地繼承了 NeXTSTEP 時代的框架 (Foundation 和 AppKit)。直到現在，許多在 macOS 開發中使用的類別仍帶有 NS (NeXTSTEP 的縮寫) 的前綴，這正是當時的遺跡（例如：NSString、NSArray）。最終，Apple 廢棄了 Carbon，並將 Cocoa（以及後來的 SwiftUI）置於 macOS 開發的核心。

支撐架構演進的魔法：Rosetta

在 macOS 的歷史中，值得一提的不僅是軟體架構，還成功地進行了多次硬體 (CPU) 架構的過渡：

  • Motorola 68k → PowerPC (1990 年代)
  • PowerPC → Intel x86 (2006 年)
  • Intel x86 → Apple Silicon (ARM) (2020 年)

無縫實現這些過渡的，正是動態二進位翻譯技術 Rosetta。

Rosetta (從 PowerPC 到 Intel)

2006 年，Apple 將 Mac 的處理器從 PowerPC 轉換為 Intel 製。當時，為了讓現有的 PowerPC 應用程式能直接在 Intel Mac 上執行，初代「Rosetta」模擬器應運而生。因為 OS 會在背景即時翻譯指令，所以使用者在不需意識到應用程式是針對哪種架構開發的情況下，就能直接使用。

Rosetta 2 (從 Intel 到 Apple Silicon)

2020 年轉換到 Apple Silicon (M1 晶片) 時登場的「Rosetta 2」又進一步進化了。除了執行時的即時翻譯 (JIT 編譯) 之外，在安裝時（或首次啟動時）也會進行事前編譯 (AOT 編譯)，成功地將效能的降低抑制到極限。這使得即使是為 x86 撰寫的重型應用程式，也能在原生的 ARM 處理器上以驚人的速度運行。

  graph LR
    x86App["Intel x86 二進位檔案"]
    Rosetta2["Rosetta 2 (AOT/JIT 轉換)"]
    ARMCPU["Apple Silicon (ARM)"]

    x86App -- "翻譯" --> Rosetta2
    Rosetta2 -- "原生指令執行" --> ARMCPU

結語

從 Classic Mac OS 到 Mac OS X 的過渡，不僅僅是單純的軟體更新，更可以說是電腦科學史上最成功的「心臟移植」事件。

從協同式多工和頻繁的當機，進化到基於 UNIX 的強大穩定性和精緻的 GUI。接著，繼承了 NeXTSTEP 遺產的開發環境，以及多次的 CPU 架構過渡。現在的 macOS 所擁有的壓倒性效能與使用者體驗，正是建立在這些史詩般的技術挑戰與進化之上的。

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