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此篇文章主要會帶你介紹 Linux 操作系統(tǒng)，包括 Linux 本身、Linux 如何使用、以及系統(tǒng)調(diào)用和 Linux 是如何工作的。

Linux 簡介

UNIX 是一個交互式系統(tǒng)，用于同時處理多進程和多用戶同時在線。為什么要說 UNIX，那是因為 Linux 是由 UNIX 發(fā)展而來的，UNIX 是由程序員設(shè)計，它的主要服務(wù)對象也是程序員。Linux 繼承了 UNIX 的設(shè)計目標。從智能手機到汽車，超級計算機和家用電器，從家用臺式機到企業(yè)服務(wù)器，Linux 操作系統(tǒng)無處不在。

大多數(shù)程序員都喜歡讓系統(tǒng)盡量簡單，優(yōu)雅并具有一致性。舉個例子，從最底層的角度來講，一個文件應(yīng)該只是一個字節(jié)集合。為了實現(xiàn)順序存取、隨機存取、按鍵存取、遠程存取只能是妨礙你的工作。相同的，如果命令

ls?A*

意味著只列出以 A 為開頭的所有文件，那么命令

rm?A*

應(yīng)該會移除所有以 A 為開頭的文件而不是只刪除文件名是 A* 的文件。這個特性也是最小吃驚原則(principle of least surprise)

最小吃驚原則一半常用于用戶界面和軟件設(shè)計。它的原型是：該功能或者特征應(yīng)該符合用戶的預(yù)期，不應(yīng)該使用戶感到驚訝和震驚。

一些有經(jīng)驗的程序員通常希望系統(tǒng)具有較強的功能性和靈活性。設(shè)計 Linux 的一個基本目標是每個應(yīng)用程序只做一件事情并把他做好。所以編譯器只負責編譯的工作，編譯器不會產(chǎn)生列表，因為有其他應(yīng)用比編譯器做的更好。

很多人都不喜歡冗余，為什么在 cp 就能描述清楚你想干什么時候還使用 copy？這完全是在浪費寶貴的 hacking time。為了從文件中提取所有包含字符串 ard 的行，Linux 程序員應(yīng)該輸入

grep?ard?f

Linux 接口

Linux 系統(tǒng)是一種金字塔模型的系統(tǒng)，如下所示

應(yīng)用程序發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用把參數(shù)放在寄存器中(有時候放在棧中)，并發(fā)出 trap 系統(tǒng)陷入指令切換用戶態(tài)至內(nèi)核態(tài)。因為不能直接在 C 中編寫 trap 指令，因此 C 提供了一個庫，庫中的函數(shù)對應(yīng)著系統(tǒng)調(diào)用。有些函數(shù)是使用匯編編寫的，但是能夠從 C 中調(diào)用。每個函數(shù)首先把參數(shù)放在合適的位置然后執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用指令。因此如果你想要執(zhí)行 read 系統(tǒng)調(diào)用的話，C 程序會調(diào)用 read 函數(shù)庫來執(zhí)行。這里順便提一下，是由 POSIX 指定的庫接口而不是系統(tǒng)調(diào)用接口。也就是說，POSIX 會告訴一個標準系統(tǒng)應(yīng)該提供哪些庫過程，它們的參數(shù)是什么，它們必須做什么以及它們必須返回什么結(jié)果。

除了操作系統(tǒng)和系統(tǒng)調(diào)用庫外，Linux 操作系統(tǒng)還要提供一些標準程序，比如文本編輯器、編譯器、文件操作工具等。直接和用戶打交道的是上面這些應(yīng)用程序。因此我們可以說 Linux 具有三種不同的接口：系統(tǒng)調(diào)用接口、庫函數(shù)接口和應(yīng)用程序接口

Linux 中的 GUI(Graphical User Interface) 和 UNIX 中的非常相似，這種 GUI 創(chuàng)建一個桌面環(huán)境，包括窗口、目標和文件夾、工具欄和文件拖拽功能。一個完整的 GUI 還包括窗口管理器以及各種應(yīng)用程序。

Linux 上的 GUI 由 X 窗口支持，主要組成部分是 X 服務(wù)器、控制鍵盤、鼠標、顯示器等。當在 Linux 上使用圖形界面時，用戶可以通過鼠標點擊運行程序或者打開文件，通過拖拽將文件進行復(fù)制等。

Linux 組成部分

事實上，Linux 操作系統(tǒng)可以由下面這幾部分構(gòu)成

• 引導(dǎo)程序(Bootloader)：引導(dǎo)程序是管理計算機啟動過程的軟件，對于大多數(shù)用戶而言，只是彈出一個屏幕，但其實內(nèi)部操作系統(tǒng)做了很多事情
• 內(nèi)核(Kernel)：內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心，負責管理 CPU、內(nèi)存和外圍設(shè)備等。
• 初始化系統(tǒng)(Init System)：這是一個引導(dǎo)用戶空間并負責控制守護程序的子系統(tǒng)。一旦從引導(dǎo)加載程序移交了初始引導(dǎo)，它就是用于管理引導(dǎo)過程的初始化系統(tǒng)。
• 后臺進程(Daemon)：后臺進程顧名思義就是在后臺運行的程序，比如打印、聲音、調(diào)度等，它們可以在引導(dǎo)過程中啟動，也可以在登錄桌面后啟動
• 圖形服務(wù)器(Graphical server)：這是在監(jiān)視器上顯示圖形的子系統(tǒng)。通常將其稱為 X 服務(wù)器或 X。
• 桌面環(huán)境(Desktop environment)：這是用戶與之實際交互的部分，有很多桌面環(huán)境可供選擇，每個桌面環(huán)境都包含內(nèi)置應(yīng)用程序，比如文件管理器、Web 瀏覽器、游戲等
• 應(yīng)用程序(Applications)：桌面環(huán)境不提供完整的應(yīng)用程序，就像 Windows 和 macOS 一樣，Linux 提供了成千上萬個可以輕松找到并安裝的高質(zhì)量軟件。

Shell

盡管 Linux 應(yīng)用程序提供了 GUI ，但是大部分程序員仍偏好于使用命令行(command-line interface)，稱為shell。用戶通常在 GUI 中啟動一個 shell 窗口然后就在 shell 窗口下進行工作。

shell 命令行使用速度快、功能更強大、而且易于擴展、并且不會帶來肢體重復(fù)性勞損(RSI)。

下面會介紹一些最簡單的 bash shell。當 shell 啟動時，它首先進行初始化，在屏幕上輸出一個 提示符(prompt)，通常是一個百分號或者美元符號，等待用戶輸入

等用戶輸入一個命令后，shell 提取其中的第一個詞，這里的詞指的是被空格或制表符分隔開的一連串字符。假定這個詞是將要運行程序的程序名，那么就會搜索這個程序，如果找到了這個程序就會運行它。然后 shell 會將自己掛起直到程序運行完畢，之后再嘗試讀入下一條指令。shell 也是一個普通的用戶程序。它的主要功能就是讀取用戶的輸入和顯示計算的輸出。shell 命令中可以包含參數(shù)，它們作為字符串傳遞給所調(diào)用的程序。比如

cp?src?dest

會調(diào)用 cp 應(yīng)用程序并包含兩個參數(shù) src 和 dest。這個程序會解釋第一個參數(shù)是一個已經(jīng)存在的文件名，然后創(chuàng)建一個該文件的副本，名稱為 dest。

并不是所有的參數(shù)都是文件名，比如下面

head?-20?file

第一個參數(shù) -20，會告訴 head 應(yīng)用程序打印文件的前 20 行，而不是默認的 10 行。控制命令操作或者指定可選值的參數(shù)稱為標志(flag)，按照慣例標志應(yīng)該使用 - 來表示。這個符號是必要的，比如

head?20?file

是一個完全合法的命令，它會告訴 head 程序輸出文件名為 20 的文件的前 10 行，然后輸出文件名為 file 文件的前 10 行。Linux 操作系統(tǒng)可以接受一個或多個參數(shù)。

為了更容易的指定多個文件名，shell 支持 魔法字符(magic character)，也被稱為通配符(wild cards)。比如，* 可以匹配一個或者多個可能的字符串

ls?*.c

告訴 ls 列舉出所有文件名以 .c 結(jié)束的文件。如果同時存在多個文件，則會在后面進行并列。

另一個通配符是問號，負責匹配任意一個字符。一組在中括號中的字符可以表示其中任意一個，因此

ls?[abc]*

會列舉出所有以 a、b 或者 c 開頭的文件。

shell 應(yīng)用程序不一定通過終端進行輸入和輸出。shell 啟動時，就會獲取 標準輸入、標準輸出、標準錯誤文件進行訪問的能力。

標準輸出是從鍵盤輸入的，標準輸出或者標準錯誤是輸出到顯示器的。許多 Linux 程序默認是從標準輸入進行輸入并從標準輸出進行輸出。比如

sort?

會調(diào)用 sort 程序，會從終端讀取數(shù)據(jù)(直到用戶輸入 ctrl-d 結(jié)束)，根據(jù)字母順序進行排序，然后將結(jié)果輸出到屏幕上。

通常還可以重定向標準輸入和標準輸出，重定向標準輸入使用 < 后面跟文件名。標準輸出可以通過一個大于號 > 進行重定向。允許一個命令中重定向標準輸入和輸出。例如命令

sort?out

會使 sort 從文件 in 中得到輸入，并把結(jié)果輸出到 out 文件中。由于標準錯誤沒有重定向，所以錯誤信息會直接打印到屏幕上。從標準輸入讀入，對其進行處理并將其寫入到標準輸出的程序稱為 過濾器。

考慮下面由三個分開的命令組成的指令

sort?temp;head?-30?

首先會調(diào)用 sort 應(yīng)用程序，從標準輸入 in 中進行讀取，并通過標準輸出到 temp。當程序運行完畢后，shell 會運行 head ，告訴它打印前 30 行，并在標準輸出(默認為終端)上打印。最后，temp 臨時文件被刪除。輕輕的，你走了，你揮一揮衣袖，不帶走一片云彩。

命令行中的第一個程序通常會產(chǎn)生輸出，在上面的例子中，產(chǎn)生的輸出都不 temp 文件接收。然而，Linux 還提供了一個簡單的命令來做這件事，例如下面

sort?

上面 | 稱為豎線符號，它的意思是從 sort 應(yīng)用程序產(chǎn)生的排序輸出會直接作為輸入顯示，無需創(chuàng)建、使用和移除臨時文件。由管道符號連接的命令集合稱為管道(pipeline)。例如如下

grep?cxuan?*.c?|?sort?|?head?-30?|?tail?-5?>f00

對任意以 .t 結(jié)尾的文件中包含 cxuan 的行被寫到標準輸出中，然后進行排序。這些內(nèi)容中的前 30 行被 head 出來并傳給 tail ，它又將最后 5 行傳遞給 foo。這個例子提供了一個管道將多個命令連接起來。

可以把一系列 shell 命令放在一個文件中，然后將此文件作為輸入來運行。shell 會按照順序?qū)λ麄冞M行處理，就像在鍵盤上鍵入命令一樣。包含 shell 命令的文件被稱為shell 腳本(shell scripts)。

推薦一個 shell 命令的學(xué)習(xí)網(wǎng)站：https://www.shellscript.sh/

shell 腳本其實也是一段程序，shell 腳本中可以對變量進行賦值，也包含循環(huán)控制語句比如 if、for、while 等，shell 的設(shè)計目標是讓其看起來和 C 相似(There is no doubt that C is father)。由于 shell 也是一個用戶程序，所以用戶可以選擇不同的 shell。

Linux 應(yīng)用程序

Linux 的命令行也就是 shell，它由大量標準應(yīng)用程序組成。這些應(yīng)用程序主要有下面六種

• 文件和目錄操作命令
• 過濾器
• 文本程序
• 系統(tǒng)管理
• 程序開發(fā)工具，例如編輯器和編譯器
• 其他

除了這些標準應(yīng)用程序外，還有其他應(yīng)用程序比如 Web 瀏覽器、多媒體播放器、圖片瀏覽器、辦公軟件和游戲程序等。

我們在上面的例子中已經(jīng)見過了幾個 Linux 的應(yīng)用程序，比如 sort、cp、ls、head，下面我們再來認識一下其他 Linux 的應(yīng)用程序。

我們先從幾個例子開始講起，比如

cp?a?b

是將 a 復(fù)制一個副本為 b ，而

mv?a?b

是將 a 移動到 b ，但是刪除原文件。

上面這兩個命令有一些區(qū)別，cp 是將文件進行復(fù)制，復(fù)制完成后會有兩個文件 a 和 b；而 mv 相當于是文件的移動，移動完成后就不再有 a 文件。cat 命令可以把多個文件內(nèi)容進行連接。使用 rm 可以刪除文件；使用 chmod 可以允許所有者改變訪問權(quán)限；文件目錄的的創(chuàng)建和刪除可以使用 mkdir 和 rmdir 命令；使用 ls 可以查看目錄文件，ls 可以顯示很多屬性，比如大小、用戶、創(chuàng)建日期等；sort 決定文件的顯示順序

Linux 應(yīng)用程序還包括過濾器 grep，grep 從標準輸入或者一個或多個輸入文件中提取特定模式的行；sort 將輸入進行排序并輸出到標準輸出；head 提取輸入的前幾行；tail 提取輸入的后面幾行；除此之外的過濾器還有 cut 和 paste，允許對文本行的剪切和復(fù)制；od 將輸入轉(zhuǎn)換為 ASCII ；tr 實現(xiàn)字符大小寫轉(zhuǎn)換；pr 為格式化打印輸出等。

程序編譯工具使用 gcc；

make 命令用于自動編譯，這是一個很強大的命令，它用于維護一個大的程序，往往這類程序的源碼由許多文件構(gòu)成。典型的，有一些是 header files 頭文件，源文件通常使用 include 指令包含這些文件，make 的作用就是跟蹤哪些文件屬于頭文件，然后安排自動編譯的過程。

下面列出了 POSIX 的標準應(yīng)用程序

Linux 內(nèi)核結(jié)構(gòu)

在上面我們看到了 Linux 的整體結(jié)構(gòu)，下面我們從整體的角度來看一下 Linux 的內(nèi)核結(jié)構(gòu)

內(nèi)核直接坐落在硬件上，內(nèi)核的主要作用就是 I/O 交互、內(nèi)存管理和控制 CPU 訪問。上圖中還包括了 中斷 和 調(diào)度器，中斷是與設(shè)備交互的主要方式。中斷出現(xiàn)時調(diào)度器就會發(fā)揮作用。這里的低級代碼停止正在運行的進程，將其狀態(tài)保存在內(nèi)核進程結(jié)構(gòu)中，并啟動驅(qū)動程序。進程調(diào)度也會發(fā)生在內(nèi)核完成一些操作并且啟動用戶進程的時候。圖中的調(diào)度器是 dispatcher。

注意這里的調(diào)度器是 dispatcher 而不是 scheduler，這兩者是有區(qū)別的

scheduler 和 dispatcher 都是和進程調(diào)度相關(guān)的概念，不同的是 scheduler 會從幾個進程中隨意選取一個進程；而 dispatcher 會給 scheduler 選擇的進程分配 CPU。

然后，我們把內(nèi)核系統(tǒng)分為三部分。

• I/O 部分負責與設(shè)備進行交互以及執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)和存儲 I/O 操作的所有內(nèi)核部分。

從圖中可以看出 I/O 層次的關(guān)系，最高層是一個虛擬文件系統(tǒng)，也就是說不管文件是來自內(nèi)存還是磁盤中，都是經(jīng)過虛擬文件系統(tǒng)中的。從底層看，所有的驅(qū)動都是字符驅(qū)動或者塊設(shè)備驅(qū)動。二者的主要區(qū)別就是是否允許隨機訪問。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動設(shè)備并不是一種獨立的驅(qū)動設(shè)備，它實際上是一種字符設(shè)備，不過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理方式和字符設(shè)備不同。

上面的設(shè)備驅(qū)動程序中，每個設(shè)備類型的內(nèi)核代碼都不同。字符設(shè)備有兩種使用方式，有一鍵式的比如 vi 或者 emacs ，需要每一個鍵盤輸入。其他的比如 shell ，是需要輸入一行按回車鍵將字符串發(fā)送給程序進行編輯。

網(wǎng)絡(luò)軟件通常是模塊化的，由不同的設(shè)備和協(xié)議來支持。大多數(shù) Linux 系統(tǒng)在內(nèi)核中包含一個完整的硬件路由器的功能，但是這個不能和外部路由器相比，路由器上面是協(xié)議棧，包括 TCP/IP 協(xié)議，協(xié)議棧上面是 socket 接口，socket 負責與外部進行通信，充當了門的作用。

磁盤驅(qū)動上面是 I/O 調(diào)度器，它負責排序和分配磁盤讀寫操作，以盡可能減少磁頭的無用移動。

• I/O 右邊的是內(nèi)存部件，程序被裝載進內(nèi)存，由 CPU 執(zhí)行，這里會涉及到虛擬內(nèi)存的部件，頁面的換入和換出是如何進行的，壞頁面的替換和經(jīng)常使用的頁面會進行緩存。

• 進程模塊負責進程的創(chuàng)建和終止、進程的調(diào)度、Linux 把進程和線程看作是可運行的實體，并使用統(tǒng)一的調(diào)度策略來進行調(diào)度。

在內(nèi)核最頂層的是系統(tǒng)調(diào)用接口，所有的系統(tǒng)調(diào)用都是經(jīng)過這里，系統(tǒng)調(diào)用會觸發(fā)一個 trap，將系統(tǒng)從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換為內(nèi)核態(tài)，然后將控制權(quán)移交給上面的內(nèi)核部件。

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