Linux 基礎知識
此篇文章主要會帶你介紹 Linux 操作系統，包括 Linux 本身、Linux 如何使用、以及系統調用和 Linux 是如何工作的。
Linux 簡介
UNIX 是一個交互式系統，用於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 發展而來的，UNIX 是由程序員設計，它的主要服務對象也是程序員。Linux 繼承了 UNIX 的設計目標。從智能手機到汽車，超級計算機和家用電器，從家用台式機到企業服務器，Linux 操作系統無處不在。
大多數程序員都喜歡讓系統盡量簡單，優雅並具有一致性。舉個例子，從最底層的角度來講，一個文件應該只是一個字節集合。為了實現順序存取、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*
意味着只列出以 A 為開頭的所有文件，那么命令
rm A*
應該會移除所有以 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於用戶界面和軟件設計。它的原型是：該功能或者特征應該符合用戶的預期，不應該使用戶感到驚訝和震驚。
一些有經驗的程序員通常希望系統具有較強的功能性和靈活性。設計 Linux 的一個基本目標是每個應用程序只做一件事情並把他做好。所以編譯器只負責編譯的工作，編譯器不會產生列表，因為有其他應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 程序員應該輸入
grep ard f
Linux 接口
Linux 系統是一種金字塔模型的系統，如下所示
應用程序發起系統調用把參數放在寄存器中(有時候放在棧中)，並發出 trap 系統陷入指令切換用戶態至內核態。因為不能直接在 C 中編寫 trap 指令，因此 C 提供了一個庫，庫中的函數對應着系統調用。有些函數是使用匯編編寫的，但是能夠從 C 中調用。每個函數首先把參數放在合適的位置然后執行系統調用指令。因此如果你想要執行 read 系統調用的話，C 程序會調用 read 函數庫來執行。這里順便提一下，是由 POSIX 指定的庫接口而不是系統調用接口。也就是說，POSIX 會告訴一個標准系統應該提供哪些庫過程，它們的參數是什么，它們必須做什么以及它們必須返回什么結果。
除了操作系統和系統調用庫外，Linux 操作系統還要提供一些標准程序，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用程序。因此我們可以說 Linux 具有三種不同的接口：系統調用接口、庫函數接口和應用程序接口
Linux 中的 GUI(Graphical User Interface) 和 UNIX 中的非常相似，這種 GUI 創建一個桌面環境，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用程序。
Linux 上的 GUI 由 X 窗口支持，主要組成部分是 X 服務器、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制等。
Linux 組成部分
事實上，Linux 操作系統可以由下面這幾部分構成
引導程序(Bootloader)：引導程序是管理計算機啟動過程的軟件，對於大多數用戶而言，只是彈出一個屏幕，但其實內部操作系統做了很多事情內核(Kernel)：內核是操作系統的核心，負責管理 CPU、內存和外圍設備等。初始化系統(Init System)：這是一個引導用戶空間並負責控制守護程序的子系統。一旦從引導加載程序移交了初始引導，它就是用於管理引導過程的初始化系統。后台進程(Daemon)：后台進程顧名思義就是在后台運行的程序，比如打印、聲音、調度等，它們可以在引導過程中啟動，也可以在登錄桌面后啟動圖形服務器(Graphical server)：這是在監視器上顯示圖形的子系統。通常將其稱為 X 服務器或 X。桌面環境(Desktop environment)：這是用戶與之實際交互的部分，有很多桌面環境可供選擇，每個桌面環境都包含內置應用程序，比如文件管理器、Web 瀏覽器、游戲等應用程序(Applications)：桌面環境不提供完整的應用程序，就像 Windows 和 macOS 一樣，Linux 提供了成千上萬個可以輕松找到並安裝的高質量軟件。
Shell
盡管 Linux 應用程序提供了 GUI ，但是大部分程序員仍偏好於使用命令行(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、而且易於擴展、並且不會帶來肢體重復性勞損(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，它們作為字符串傳遞給所調用的程序。比如
cp src dest
會調用 cp 應用程序並包含兩個參數 src 和 dest。這個程序會解釋第一個參數是一個已經存在的文件名，然后創建一個該文件的副本，名稱為 dest。
並不是所有的參數都是文件名，比如下面
head -20 file
第一個參數 -20，會告訴 head 應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稱為標志(flag)，按照慣例標志應該使用 - 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 操作系統可以接受一個或多個參數。
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 結束的文件。如果同時存在多個文件，則會在后面進行並列。
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 標准輸入、標准輸出、標准錯誤文件進行訪問的能力。
標准輸出是從鍵盤輸入的，標准輸出或者標准錯誤是輸出到顯示器的。許多 Linux 程序默認是從標准輸入進行輸入並從標准輸出進行輸出。比如
sort
會調用 sort 程序，會從終端讀取數據(直到用戶輸入 ctrl-d 結束)，根據字母順序進行排序，然后將結果輸出到屏幕上。
通常還可以重定向標准輸入和標准輸出，重定向標准輸入使用 < 后面跟文件名。標准輸出可以通過一個大於號 > 進行重定向。允許一個命令中重定向標准輸入和輸出。例如命令
sort <in >out
會使 sort 從文件 in 中得到輸入，並把結果輸出到 out 文件中。由於標准錯誤沒有重定向，所以錯誤信息會直接打印到屏幕上。從標准輸入讀入，對其進行處理並將其寫入到標准輸出的程序稱為 過濾器。
考慮下面由三個分開的命令組成的指令
sort <in >temp;head -30 <temp;rm temp
首先會調用 sort 應用程序，從標准輸入 in 中進行讀取，並通過標准輸出到 temp。當程序運行完畢后，shell 會運行 head ，告訴它打印前 30 行，並在標准輸出(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，不帶走一片雲彩。
命令行中的第一個程序通常會產生輸出，在上面的例子中，產生的輸出都不 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 <in | head -30
上面 | 稱為豎線符號，它的意思是從 sort 應用程序產生的排序輸出會直接作為輸入顯示，無需創建、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 結尾的文件中包含 cxuan 的行被寫到標准輸出中，然后進行排序。這些內容中的前 30 行被 head 出來並傳給 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 會按照順序對他們進行處理，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 命令的學習網站：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，也包含循環控制語句比如 if、for、while 等，shell 的設計目標是讓其看起來和 C 相似(There is no doubt that C is father)。由於 shell 也是一個用戶程序，所以用戶可以選擇不同的 shell。
Linux 應用程序
Linux 的命令行也就是 shell，它由大量標准應用程序組成。這些應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
- 系統管理
- 程序開發工具，例如編輯器和編譯器
- 其他
除了這些標准應用程序外，還有其他應用程序比如 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見過了幾個 Linux 的應用程序，比如 sort、cp、ls、head，下面我們再來認識一下其他 Linux 的應用程序。
我們先從幾個例子開始講起，比如
cp a b
是將 a 復制一個副本為 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別，cp 是將文件進行復制，復制完成后會有兩個文件 a 和 b；而 mv 相當於是文件的移動，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限；文件目錄的的創建和刪除可以使用 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、創建日期等；sort 決定文件的顯示順序
Linux 應用程序還包括過濾器 grep，grep 從標准輸入或者一個或多個輸入文件中提取特定模式的行；sort 將輸入進行排序並輸出到標准輸出；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制；od 將輸入轉換為 ASCII ；tr 實現字符大小寫轉換；pr 為格式化打印輸出等。
程序編譯工具使用 gcc；
make 命令用於自動編譯，這是一個很強大的命令，它用於維護一個大的程序，往往這類程序的源碼由許多文件構成。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於頭文件，然后安排自動編譯的過程。
下面列出了 POSIX 的標准應用程序
| 程序 | 應用 |
|---|---|
| ls | 列出目錄 |
| cp | 復制文件 |
| head | 顯示文件的前幾行 |
| make | 編譯文件生成二進制文件 |
| cd | 切換目錄 |
| mkdir | 創建目錄 |
| chmod | 修改文件訪問權限 |
| ps | 列出文件進程 |
| pr | 格式化打印 |
| rm | 刪除一個文件 |
| rmdir | 刪除文件目錄 |
| tail | 提取文件最后幾行 |
| tr | 字符集轉換 |
| grep | 分組 |
| cat | 將多個文件連續標准輸出 |
| od | 以八進制顯示文件 |
| cut | 從文件中剪切 |
| paste | 從文件中粘貼 |
Linux 內核結構
在上面我們看到了 Linux 的整體結構，下面我們從整體的角度來看一下 Linux 的內核結構
內核直接坐落在硬件上，內核的主要作用就是 I/O 交互、內存管理和控制 CPU 訪問。上圖中還包括了 中斷 和 調度器，中斷是與設備交互的主要方式。中斷出現時調度器就會發揮作用。這里的低級代碼停止正在運行的進程，將其狀態保存在內核進程結構中，並啟動驅動程序。進程調度也會發生在內核完成一些操作並且啟動用戶進程的時候。圖中的調度器是 dispatcher。
注意這里的調度器是
dispatcher而不是scheduler，這兩者是有區別的scheduler 和 dispatcher 都是和進程調度相關的概念，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，我們把內核系統分為三部分。
- I/O 部分負責與設備進行交互以及執行網絡和存儲 I/O 操作的所有內核部分。
從圖中可以看出 I/O 層次的關系，最高層是一個虛擬文件系統，也就是說不管文件是來自內存還是磁盤中，都是經過虛擬文件系統中的。從底層看，所有的驅動都是字符驅動或者塊設備驅動。二者的主要區別就是是否允許隨機訪問。網絡驅動設備並不是一種獨立的驅動設備，它實際上是一種字符設備，不過網絡設備的處理方式和字符設備不同。
上面的設備驅動程序中，每個設備類型的內核代碼都不同。字符設備有兩種使用方式，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送給程序進行編輯。
網絡軟件通常是模塊化的，由不同的設備和協議來支持。大多數 Linux 系統在內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，路由器上面是協議棧，包括 TCP/IP 協議，協議棧上面是 socket 接口，socket 負責與外部進行通信，充當了門的作用。
磁盤驅動上面是 I/O 調度器，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。
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I/O 右邊的是內存部件，程序被裝載進內存，由 CPU 執行，這里會涉及到虛擬內存的部件，頁面的換入和換出是如何進行的，壞頁面的替換和經常使用的頁面會進行緩存。
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進程模塊負責進程的創建和終止、進程的調度、Linux 把進程和線程看作是可運行的實體，並使用統一的調度策略來進行調度。
在內核最頂層的是系統調用接口，所有的系統調用都是經過這里，系統調用會觸發一個 trap，將系統從用戶態轉換為內核態，然后將控制權移交給上面的內核部件。