Linux 操做系统！开篇！！！

此篇文章主要会带你介绍 Linux 操做系统，包括 Linux 自己、Linux 如何使用、以及系统调用和 Linux 是如何工做的。

Linux 简介

UNIX 是一个交互式系统，用于同时处理多进程和多用户同时在线。为何要说 UNIX，那是由于 Linux 是由 UNIX 发展而来的，UNIX 是由程序员设计，它的主要服务对象也是程序员。Linux 继承了 UNIX 的设计目标。从智能手机到汽车，超级计算机和家用电器，从家用台式机到企业服务器，Linux 操做系统无处不在。

大多数程序员都喜欢让系统尽可能简单，优雅并具备一致性。举个例子，从最底层的角度来说，一个文件应该只是一个字节集合。为了实现顺序存取、随机存取、按键存取、远程存取只能是妨碍你的工做。相同的，若是命令

ls A*
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意味着只列出以 A 为开头的全部文件，那么命令

rm A*
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应该会移除全部以 A 为开头的文件而不是只删除文件名是 A* 的文件。这个特性也是最小吃惊原则(principle of least surprise)

最小吃惊原则一半经常使用于用户界面和软件设计。它的原型是：该功能或者特征应该符合用户的预期，不该该使用户感到惊讶和震惊。

一些有经验的程序员一般但愿系统具备较强的功能性和灵活性。设计 Linux 的一个基本目标是每一个应用程序只作一件事情并把他作好。因此编译器只负责编译的工做，编译器不会产生列表，由于有其余应用比编译器作的更好。

不少人都不喜欢冗余，为何在 cp 就能描述清楚你想干何时还使用 copy？这彻底是在浪费宝贵的 hacking time。为了从文件中提取全部包含字符串 ard 的行，Linux 程序员应该输入

grep ard f
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Linux 接口

Linux 系统是一种金字塔模型的系统，以下所示

应用程序发起系统调用把参数放在寄存器中(有时候放在栈中)，并发出 trap 系统陷入指令切换用户态至内核态。由于不能直接在 C 中编写 trap 指令，所以 C 提供了一个库，库中的函数对应着系统调用。有些函数是使用汇编编写的，可是可以从 C 中调用。每一个函数首先把参数放在合适的位置而后执行系统调用指令。所以若是你想要执行 read 系统调用的话，C 程序会调用 read 函数库来执行。这里顺便提一下，是由 POSIX 指定的库接口而不是系统调用接口。也就是说，POSIX 会告诉一个标准系统应该提供哪些库过程，它们的参数是什么，它们必须作什么以及它们必须返回什么结果。

除了操做系统和系统调用库外，Linux 操做系统还要提供一些标准程序，好比文本编辑器、编译器、文件操做工具等。直接和用户打交道的是上面这些应用程序。所以咱们能够说 Linux 具备三种不一样的接口：系统调用接口、库函数接口和应用程序接口

Linux 中的 GUI(Graphical User Interface) 和 UNIX 中的很是类似，这种 GUI 建立一个桌面环境，包括窗口、目标和文件夹、工具栏和文件拖拽功能。一个完整的 GUI 还包括窗口管理器以及各类应用程序。

Linux 上的 GUI 由 X 窗口支持，主要组成部分是 X 服务器、控制键盘、鼠标、显示器等。当在 Linux 上使用图形界面时，用户能够经过鼠标点击运行程序或者打开文件，经过拖拽将文件进行复制等。

Linux 组成部分

事实上，Linux 操做系统能够由下面这几部分构成

• 引导程序(Bootloader)：引导程序是管理计算机启动过程的软件，对于大多数用户而言，只是弹出一个屏幕，但其实内部操做系统作了不少事情
• 内核(Kernel)：内核是操做系统的核心，负责管理 CPU、内存和外围设备等。
• 初始化系统(Init System)：这是一个引导用户空间并负责控制守护程序的子系统。一旦从引导加载程序移交了初始引导，它就是用于管理引导过程的初始化系统。
• 后台进程(Daemon)：后台进程顾名思义就是在后台运行的程序，好比打印、声音、调度等，它们能够在引导过程当中启动，也能够在登陆桌面后启动
• 图形服务器(Graphical server)：这是在监视器上显示图形的子系统。一般将其称为 X 服务器或 X。
• 桌面环境(Desktop environment)：这是用户与之实际交互的部分，有不少桌面环境可供选择，每一个桌面环境都包含内置应用程序，好比文件管理器、Web 浏览器、游戏等
• 应用程序(Applications)：桌面环境不提供完整的应用程序，就像 Windows 和 macOS 同样，Linux 提供了成千上万个能够轻松找到并安装的高质量软件。

Shell

尽管 Linux 应用程序提供了 GUI ，可是大部分程序员仍偏好于使用命令行(command-line interface)，称为shell。用户一般在 GUI 中启动一个 shell 窗口而后就在 shell 窗口下进行工做。

shell 命令行使用速度快、功能更强大、并且易于扩展、而且不会带来肢体重复性劳损(RSI)。

下面会介绍一些最简单的 bash shell。当 shell 启动时，它首先进行初始化，在屏幕上输出一个 提示符(prompt)，一般是一个百分号或者美圆符号，等待用户输入

等用户输入一个命令后，shell 提取其中的第一个词，这里的词指的是被空格或制表符分隔开的一连串字符。假定这个词是将要运行程序的程序名，那么就会搜索这个程序，若是找到了这个程序就会运行它。而后 shell 会将本身挂起直到程序运行完毕，以后再尝试读入下一条指令。shell 也是一个普通的用户程序。它的主要功能就是读取用户的输入和显示计算的输出。shell 命令中能够包含参数，它们做为字符串传递给所调用的程序。好比

cp src dest
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会调用 cp 应用程序并包含两个参数 src 和 dest。这个程序会解释第一个参数是一个已经存在的文件名，而后建立一个该文件的副本，名称为 dest。

并非全部的参数都是文件名，好比下面

head -20 file
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第一个参数 -20，会告诉 head 应用程序打印文件的前 20 行，而不是默认的 10 行。控制命令操做或者指定可选值的参数称为标志(flag)，按照惯例标志应该使用 - 来表示。这个符号是必要的，好比

head 20 file
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是一个彻底合法的命令，它会告诉 head 程序输出文件名为 20 的文件的前 10 行，而后输出文件名为 file 文件的前 10 行。Linux 操做系统能够接受一个或多个参数。

为了更容易的指定多个文件名，shell 支持 魔法字符(magic character)，也被称为通配符(wild cards)。好比，* 能够匹配一个或者多个可能的字符串

ls *.c
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告诉 ls 列举出全部文件名以 .c 结束的文件。若是同时存在多个文件，则会在后面进行并列。

另外一个通配符是问号，负责匹配任意一个字符。一组在中括号中的字符能够表示其中任意一个，所以

ls [abc]*
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会列举出全部以 a、b 或者 c 开头的文件。

shell 应用程序不必定经过终端进行输入和输出。shell 启动时，就会获取 标准输入、标准输出、标准错误文件进行访问的能力。

标准输出是从键盘输入的，标准输出或者标准错误是输出到显示器的。许多 Linux 程序默认是从标准输入进行输入并从标准输出进行输出。好比

sort	
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会调用 sort 程序，会从终端读取数据(直到用户输入 ctrl-d 结束)，根据字母顺序进行排序，而后将结果输出到屏幕上。

一般还能够重定向标准输入和标准输出，重定向标准输入使用 < 后面跟文件名。标准输出能够经过一个大于号 > 进行重定向。容许一个命令中重定向标准输入和输出。例如命令

sort <in >out
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会使 sort 从文件 in 中获得输入，并把结果输出到 out 文件中。因为标准错误没有重定向，因此错误信息会直接打印到屏幕上。从标准输入读入，对其进行处理并将其写入到标准输出的程序称为 过滤器。

考虑下面由三个分开的命令组成的指令

sort <in >temp;head -30 <temp;rm temp
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首先会调用 sort 应用程序，从标准输入 in 中进行读取，并经过标准输出到 temp。当程序运行完毕后，shell 会运行 head ，告诉它打印前 30 行，并在标准输出(默认为终端)上打印。最后，temp 临时文件被删除。轻轻的，你走了，你挥一挥衣袖，不带走一片云彩。

命令行中的第一个程序一般会产生输出，在上面的例子中，产生的输出都不 temp 文件接收。然而，Linux 还提供了一个简单的命令来作这件事，例以下面

sort <in | head -30
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上面 | 称为竖线符号，它的意思是从 sort 应用程序产生的排序输出会直接做为输入显示，无需建立、使用和移除临时文件。由管道符号链接的命令集合称为管道(pipeline)。例如以下

grep cxuan *.c | sort | head -30 | tail -5 >f00
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对任意以 .t 结尾的文件中包含 cxuan 的行被写到标准输出中，而后进行排序。这些内容中的前 30 行被 head 出来并传给 tail ，它又将最后 5 行传递给 foo。这个例子提供了一个管道将多个命令链接起来。

能够把一系列 shell 命令放在一个文件中，而后将此文件做为输入来运行。shell 会按照顺序对他们进行处理，就像在键盘上键入命令同样。包含 shell 命令的文件被称为 shell 脚本(shell scripts)。

推荐一个 shell 命令的学习网站：www.shellscript.sh/

shell 脚本其实也是一段程序，shell 脚本中能够对变量进行赋值，也包含循环控制语句好比 if、for、while 等，shell 的设计目标是让其看起来和 C 类似(There is no doubt that C is father)。因为 shell 也是一个用户程序，因此用户能够选择不一样的 shell。

Linux 应用程序

Linux 的命令行也就是 shell，它由大量标准应用程序组成。这些应用程序主要有下面六种

• 文件和目录操做命令
• 过滤器
• 文本程序
• 系统管理
• 程序开发工具，例如编辑器和编译器
• 其余

除了这些标准应用程序外，还有其余应用程序好比 Web 浏览器、多媒体播放器、图片浏览器、办公软件和游戏程序等。

咱们在上面的例子中已经见过了几个 Linux 的应用程序，好比 sort、cp、ls、head，下面咱们再来认识一下其余 Linux 的应用程序。

咱们先从几个例子开始讲起，好比

cp a b
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是将 a 复制一个副本为 b ，而

mv a b
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是将 a 移动到 b ，可是删除原文件。

上面这两个命令有一些区别，cp 是将文件进行复制，复制完成后会有两个文件 a 和 b；而 mv 至关因而文件的移动，移动完成后就再也不有 a 文件。cat 命令能够把多个文件内容进行链接。使用 rm 能够删除文件；使用 chmod 能够容许全部者改变访问权限；文件目录的的建立和删除可使用 mkdir 和 rmdir 命令；使用 ls 能够查看目录文件，ls 能够显示不少属性，好比大小、用户、建立日期等；sort 决定文件的显示顺序

Linux 应用程序还包括过滤器 grep，grep 从标准输入或者一个或多个输入文件中提取特定模式的行；sort 将输入进行排序并输出到标准输出；head 提取输入的前几行；tail 提取输入的后面几行；除此以外的过滤器还有 cut 和 paste，容许对文本行的剪切和复制；od 将输入转换为 ASCII ；tr 实现字符大小写转换；pr 为格式化打印输出等。

程序编译工具使用 gcc；

make 命令用于自动编译，这是一个很强大的命令，它用于维护一个大的程序，每每这类程序的源码由许多文件构成。典型的，有一些是 header files 头文件，源文件一般使用 include 指令包含这些文件，make 的做用就是跟踪哪些文件属于头文件，而后安排自动编译的过程。

下面列出了 POSIX 的标准应用程序

程序	应用
ls	列出目录
cp	复制文件
head	显示文件的前几行
make	编译文件生成二进制文件
cd	切换目录
mkdir	建立目录
chmod	修改文件访问权限
ps	列出文件进程
pr	格式化打印
rm	删除一个文件
rmdir	删除文件目录
tail	提取文件最后几行
tr	字符集转换
grep	分组
cat	将多个文件连续标准输出
od	以八进制显示文件
cut	从文件中剪切
paste	从文件中粘贴

Linux 内核结构

在上面咱们看到了 Linux 的总体结构，下面咱们从总体的角度来看一下 Linux 的内核结构

内核直接坐落在硬件上，内核的主要做用就是 I/O 交互、内存管理和控制 CPU 访问。上图中还包括了 中断 和 调度器，中断是与设备交互的主要方式。中断出现时调度器就会发挥做用。这里的低级代码中止正在运行的进程，将其状态保存在内核进程结构中，并启动驱动程序。进程调度也会发生在内核完成一些操做而且启动用户进程的时候。图中的调度器是 dispatcher。

注意这里的调度器是 dispatcher 而不是 scheduler，这二者是有区别的

scheduler 和 dispatcher 都是和进程调度相关的概念，不一样的是 scheduler 会从几个进程中随意选取一个进程；而 dispatcher 会给 scheduler 选择的进程分配 CPU。

而后，咱们把内核系统分为三部分。

• I/O 部分负责与设备进行交互以及执行网络和存储 I/O 操做的全部内核部分。

从图中能够看出 I/O 层次的关系，最高层是一个虚拟文件系统，也就是说无论文件是来自内存仍是磁盘中，都是通过虚拟文件系统中的。从底层看，全部的驱动都是字符驱动或者块设备驱动。两者的主要区别就是是否容许随机访问。网络驱动设备并非一种独立的驱动设备，它其实是一种字符设备，不过网络设备的处理方式和字符设备不一样。

上面的设备驱动程序中，每一个设备类型的内核代码都不一样。字符设备有两种使用方式，有一键式的好比 vi 或者 emacs ，须要每个键盘输入。其余的好比 shell ，是须要输入一行按回车键将字符串发送给程序进行编辑。

网络软件一般是模块化的，由不一样的设备和协议来支持。大多数 Linux 系统在内核中包含一个完整的硬件路由器的功能，可是这个不能和外部路由器相比，路由器上面是协议栈，包括 TCP/IP 协议，协议栈上面是 socket 接口，socket 负责与外部进行通讯，充当了门的做用。

磁盘驱动上面是 I/O 调度器，它负责排序和分配磁盘读写操做，以尽量减小磁头的无用移动。

• I/O 右边的是内存部件，程序被装载进内存，由 CPU 执行，这里会涉及到虚拟内存的部件，页面的换入和换出是如何进行的，坏页面的替换和常用的页面会进行缓存。

• 进程模块负责进程的建立和终止、进程的调度、Linux 把进程和线程看做是可运行的实体，并使用统一的调度策略来进行调度。

在内核最顶层的是系统调用接口，全部的系统调用都是通过这里，系统调用会触发一个 trap，将系统从用户态转换为内核态，而后将控制权移交给上面的内核部件。