Linux操作系统基础详解，计算机专业必看！

目录

Linux操作系统

Linux 简介

Linux 接口

Linux 组成部分

Shell

Linux 应用程序

Linux 内核结构

Linux 进程和线程

基本概念

Linux 进程间通信

Linux 中进程管理系统调用

Linux 进程和线程的实现

Linux 调度

Linux 启动

Linux 内存管理

基本概念

Linux 内存管理系统调用

Linux 内存管理实现

缓存

Linux 页表

页分配和取消分配

内存映射

按需分页

文件系统

Linux 文件系统基本概念

Linux 文件系统调用

Linux 文件系统的实现

NFS 网络文件系统

Linux IO

Linux IO 基本概念

网络

Linux I/O 系统调用

Linux IO 实现

Linux 中的模块

Linux 安全

Linux 安全基本概念

Linux 安全相关的系统调用

Linux 安全实现

---

Linux操作系统

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。为什么要说 UNIX，那是因为 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 操作系统无处不在。

大多数程序员都喜欢让系统尽量简单，优雅并具有一致性。举个例子，从最底层的角度来讲，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作。相同的，如果命令

ls A*

意味着只列出以 A 为开头的所有文件，那么命令

rm A*

应该会移除所有以 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)

最小吃惊原则一半常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，不应该使用户感到惊讶和震惊。

一些有经验的程序员通常希望系统具有较强的功能性和灵活性。设计 Linux 的一个基本目标是每个应用程序只做一件事情并把他做好。所以编译器只负责编译的工作，编译器不会产生列表，因为有其他应用比编译器做的更好。

很多人都不喜欢冗余，为什么在 cp 就能描述清楚你想干什么时候还使用 copy？这完全是在浪费宝贵的 hacking time。为了从文件中提取所有包含字符串 ard 的行，Linux 程序员应该输入

grep ard f

Linux 接口

Linux 系统是一种金字塔模型的系统，如下所示

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。因为不能直接在 C 中编写 trap 指令，因此 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，但是能够从 C 中调用。每个函数首先把参数放在合适的位置然后执行系统调用指令。因此如果你想要执行 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，它们必须做什么以及它们必须返回什么结果。

除了操作系统和系统调用库外，Linux 操作系统还要提供一些标准程序，比如文本编辑器、编译器、文件操作工具等。直接和用户打交道的是上面这些应用程序。因此我们可以说 Linux 具有三种不同的接口：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 中的非常相似，这种 GUI 创建一个桌面环境，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种应用程序。

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，用户可以通过鼠标点击运行程序或者打开文件，通过拖拽将文件进行复制等。

Linux 组成部分

事实上，Linux 操作系统可以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，但其实内部操作系统做了很多事情
• **内核(Kernel)：**内核是操作系统的核心，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，比如打印、声音、调度等，它们可以在引导过程中启动，也可以在登录桌面后启动
• **图形服务器(Graphical server)：**这是在监视器上显示图形的子系统。通常将其称为 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，有很多桌面环境可供选择，每个桌面环境都包含内置应用程序，比如文件管理器、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 一样，Linux 提供了成千上万个可以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 ，但是大部分程序员仍偏好于使用**命令行(command-line interface)，称为shell**。用户通常在 GUI 中启动一个 shell 窗口然后就在 shell 窗口下进行工作。

shell 命令行使用速度快、功能更强大、而且易于扩展、并且不会带来**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)，通常是一个百分号或者美元符号，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，如果找到了这个程序就会运行它。然后 shell 会将自己挂起直到程序运行完毕，之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 命令中可以包含参数，它们作为字符串传递给所调用的程序。比如

cp src dest

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，然后创建一个该文件的副本，名称为 dest。

并不是所有的参数都是文件名，比如下面

head -20 file

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。控制命令操作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，比如

head 20 file

是一个完全合法的命令，它会告诉 head 程序输出文件名为 20 的文件的前 10 行，然后输出文件名为 file 文件的前 10 行。Linux 操作系统可以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)。比如，*** 可以匹配一个或者多个可能的字符串

ls *.c

告诉 ls 列举出所有文件名以 .c 结束的文件。如果同时存在多个文件，则会在后面进行并列。

另一个通配符是问号，负责匹配任意一个字符。一组在中括号中的字符可以表示其中任意一个，因此

ls [abc]*

会列举出所有以 a、b 或者 c 开头的文件。

shell 应用程序不一定通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。比如

sort	

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，然后将结果输出到屏幕上。

通常还可以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。标准输出可以通过一个大于号 > 进行重定向。允许一个命令中重定向标准输入和输出。例如命令

sort <in >out

会使 sort 从文件 in 中得到输入，并把结果输出到 out 文件中。由于标准错误没有重定向，所以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

首先会调用 sort 应用程序，从标准输入 in 中进行读取，并通过标准输出到 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通常会产生输出，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做这件事，例如下面

sort <in | head -30

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作为输入显示，无需创建、使用和移除临时文件。由管道符号连接的命令集合称为 管道(pipeline)。例如如下

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

对任意以 **.c** 结尾的文件中包含 cxuan 的行被写到标准输出中，然后进行排序。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连接起来。

可以把一系列 shell 命令放在一个文件中，然后将此文件作为输入来运行。shell 会按照顺序对他们进行处理，就像在键盘上键入命令一样。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：The Shell Scripting Tutorial

shell 脚本其实也是一段程序，shell 脚本中可以对变量进行赋值，也包含循环控制语句比如 if、for、while 等，shell 的设计目标是让其看起来和 C 相似(There is no doubt that C is father)。由于 shell 也是一个用户程序，所以用户可以选择不同的 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

• 文件和目录操作命令
• 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
• 其他

除了这些标准应用程序外，还有其他应用程序比如 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。

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

我们先从几个例子开始讲起，比如

cp a b

是将 a 复制一个副本为 b ，而

mv a b

是将 a 移动到 b ，但是删除原文件。

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 相当于是文件的移动，移动完成后就不再有 a 文件。cat 命令可以把多个文件内容进行连接。使用 rm 可以删除文件；使用 chmod 可以允许所有者改变访问权限；文件目录的的创建和删除可以使用 mkdir 和 rmdir 命令；使用 ls 可以查看目录文件，ls 可以显示很多属性，比如大小、用户、创建日期等；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；除此之外的过滤器还有 cut 和 paste，允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，往往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，源文件通常使用 include 指令包含这些文件，make 的作用就是跟踪哪些文件属于头文件，然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	创建目录
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

在上面我们看到了 Linux 的整体结构，下面我们从整体的角度来看一下 Linux 的内核结构

内核直接坐落在硬件上，内核的主要作用就是 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作用。这里的低级代码停止正在运行的进程，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作并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，这两者是有区别的

scheduler 和 dispatcher 都是和进程调度相关的概念，不同的是 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。

然后，我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 操作的所有内核部分。

从图中可以看出 I/O 层次的关系，最高层是一个**虚拟文件系统(VFS)**，也就是说不管文件是来自内存还是磁盘中，都是经过虚拟文件系统中的。从底层看，所有的驱动都是字符驱动或者块设备驱动。二者的主要区别就是是否允许随机访问。网络驱动设备并不是一种独立的驱动设备，它实际上是一种字符设备，不过网络设备的处理方式和字符设备不同。

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

网络软件通常是模块化的，由不同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，但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 负责与外部进行通信，充当了门的作用。

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作，以尽可能减少磁头的无用移动。

• 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，坏页面的替换和经常使用的页面会进行缓存。

• 进程模块负责进程的创建和终止、进程的调度、Linux 把进程和线程看作是可运行的实体，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，所有的系统调用都是经过这里，系统调用会触发一个 trap，将系统从用户态转换为内核态，然后将控制权移交给上面的内核部件。

Linux 进程和线程

下面我们就深入理解一下 Linux 内核来理解 Linux 的基本概念之进程和线程。系统调用是操作系统本身的接口，它对于创建进程和线程，内存分配，共享文件和 I/O 来说都很重要。

基本概念

每个进程都会运行一段独立的程序，并且在初始化的时候拥有一个独立的控制线程。换句话说，每个进程都会有一个自己的程序计数器，这个程序计数器用来记录下一个需要被执行的指令。Linux 允许进程在运行时创建额外的线程。

Linux 是一个多道程序设计系统，因此系统中存在彼此相互独立的进程同时运行。此外，每个用户都会同时有几个活动的进程。因为如果是一个大型系统，可能有数百上千的进程在同时运行。

在某些用户空间中，即使用户退出登录，仍然会有一些后台进程在运行，这些进程被称为 守护进程(daemon)。

Linux 中有一种特殊的守护进程被称为 计划守护进程(Cron daemon) ，计划守护进程可以每分钟醒来一次检查是否有工作要做，做完会继续回到睡眠状态等待下一次唤醒。

Cron 是一个守护程序，可以做任何你想做的事情，比如说你可以定期进行系统维护、定期进行系统备份等。在其他操作系统上也有类似的程序，比如 Mac OS X 上 Cron 守护程序被称为 launchd 的守护进程。在 Windows 上可以被称为 计划任务(Task Scheduler)。

在 Linux 系统中，进程通过非常简单的方式来创建，fork 系统调用会创建一个源进程的**拷贝(副本)**。调用 fork 函数的进程被称为 父进程(parent process)，使用 fork 函数创建出来的进程被称为 子进程(child process)。父进程和子进程都有自己的内存映像。如果在子进程创建出来后，父进程修改了一些变量等，那么子进程是看不到这些变化的，也就是 fork 后，父进程和子进程相互独立。

虽然父进程和子进程保持相互独立，但是它们却能够共享相同的文件，如果在 fork 之前，父进程已经打开了某个文件，那么 fork 后，父进程和子进程仍然共享这个打开的文件。对共享文件的修改会对父进程和子进程同时可见。

那么该如何区分父进程和子进程呢？子进程只是父进程的拷贝，所以它们几乎所有的情况都一样，包括内存映像、变量、寄存器等。区分的关键在于 fork 函数调用后的返回值，如果 fork 后返回一个非零值，这个非零值即是子进程的 进程标识符(Process Identiier, PID)，而会给子进程返回一个零值，可以用下面代码来进行表示

pid = fork();    // 调用 fork 函数创建进程
if(pid < 0){
  error()				 // pid < 0,创建失败
}
else if(pid > 0){
  parent_handle() // 父进程代码
}
else {
  child_handle()  // 子进程代码
}

父进程在 fork 后会得到子进程的 PID，这个 PID 即能代表这个子进程的唯一标识符也就是 PID。如果子进程想要知道自己的 PID，可以调用 getpid 方法。当子进程结束运行时，父进程会得到子进程的 PID，因为一个进程会 fork 很多子进程，子进程也会 fork 子进程，所以 PID 是非常重要的。我们把第一次调用 fork 后的进程称为 原始进程，一个原始进程可以生成一颗继承树

Linux 进程间通信

Linux 进程间的通信机制通常被称为 **Internel-Process communication**,**IPC** 下面我们来说一说 Linux 进程间通信的机制，大致来说，Linux 进程间的通信机制可以分为 6 种

下面我们分别对其进行概述

信号 signal

信号是 UNIX 系统最先开始使用的进程间通信机制，因为 Linux 是继承于 UNIX 的，所以 Linux 也支持信号机制，通过向一个或多个进程发送**异步事件信号**来实现，信号可以从键盘或者访问不存在的位置等地方产生；信号通过 shell 将任务发送给子进程。

你可以在 Linux 系统上输入 kill -l 来列出系统使用的信号，下面是我提供的一些信号

进程可以选择忽略发送过来的信号，但是有两个是不能忽略的：SIGSTOP 和 SIGKILL 信号。SIGSTOP 信号会通知当前正在运行的进程执行关闭操作，SIGKILL 信号会通知当前进程应该被杀死。除此之外，进程可以选择它想要处理的信号，进程也可以选择阻止信号，如果不阻止，可以选择自行处理，也可以选择进行内核处理。如果选择交给内核进行处理，那么就执行默认处理。

操作系统会中断目标程序的进程来向其发送信号、在任何非原子指令中，执行都可以中断，如果进程已经注册了新号处理程序，那么就执行进程，如果没有注册，将采用默认处理的方式。

例如：当进程收到 SIGFPE 浮点异常的信号后，默认操作是对其进行 **dump(转储)**和退出。信号没有优先级的说法。如果同时为某个进程产生了两个信号，则可以将它们呈现给进程或者以任意的顺序进行处理。

下面我们就来看一下这些信号是干什么用的

• SIGABRT 和 SIGIOT

SIGABRT 和 SIGIOT 信号发送给进程，告诉其进行终止，这个 信号通常在调用 C标准库的**abort()**函数时由进程本身启动

• SIGALRM 、 SIGVTALRM、SIGPROF

当设置的时钟功能超时时会将 SIGALRM 、 SIGVTALRM、SIGPROF 发送给进程。当实际时间或时钟时间超时时，发送 SIGALRM。 当进程使用的 CPU 时间超时时，将发送 SIGVTALRM。 当进程和系统代表进程使用的CPU 时间超时时，将发送 SIGPROF。

• SIGBUS

SIGBUS 将造成 总线中断 错误时发送给进程

• SIGCHLD

当子进程终止、被中断或者被中断恢复，将 SIGCHLD 发送给进程。此信号的一种常见用法是指示操作系统在子进程终止后清除其使用的资源。

• SIGCONT

SIGCONT 信号指示操作系统继续执行先前由 SIGSTOP 或 SIGTSTP 信号暂停的进程。该信号的一个重要用途是在 Unix shell 中的作业控制中。

• SIGFPE

SIGFPE 信号在执行错误的算术运算（例如除以零）时将被发送到进程。

• SIGUP

当 SIGUP 信号控制的终端关闭时，会发送给进程。许多守护程序将重新加载其配置文件并重新打开其日志文件，而不是在收到此信号时退出。

• SIGILL

SIGILL 信号在尝试执行非法、格式错误、未知或者特权指令时发出

• SIGINT

当用户希望中断进程时，操作系统会向进程发送 SIGINT 信号。用户输入 ctrl - c 就是希望中断进程。

• SIGKILL

SIGKILL 信号发送到进程以使其马上进行终止。 与 SIGTERM 和 SIGINT 相比，这个信号无法捕获和忽略执行，并且进程在接收到此信号后无法执行任何清理操作，下面是一些例外情况

僵尸进程无法杀死，因为僵尸进程已经死了，它在等待父进程对其进行捕获

处于阻塞状态的进程只有再次唤醒后才会被 kill 掉

init 进程是 Linux 的初始化进程，这个进程会忽略任何信号。

SIGKILL 通常是作为最后杀死进程的信号、它通常作用于 SIGTERM 没有响应时发送给进程。

• SIGPIPE

SIGPIPE 尝试写入进程管道时发现管道未连接无法写入时发送到进程

• SIGPOLL

当在明确监视的文件描述符上发生事件时，将发送 SIGPOLL 信号。

• SIGRTMIN 至 SIGRTMAX

SIGRTMIN 至 SIGRTMAX 是**实时信号**

• SIGQUIT
</