Linux 作業系統！開篇！！！

• 2020 年 7 月 2 日
• 筆記
• linux, 作業系統, 電腦

此篇文章主要會帶你介紹 Linux 作業系統，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 是一個互動式系統，用於同時處理多進程和多用戶同時在線。為什麼要說 UNIX，那是因為 Linux 是由 UNIX 發展而來的，UNIX 是由程式設計師設計，它的主要服務對象也是程式設計師。Linux 繼承了 UNIX 的設計目標。從智慧手機到汽車，超級電腦和家用電器，從家用台式機到企業伺服器，Linux 作業系統無處不在。

大多數程式設計師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位元組集合。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*

意味著只列出以 A 為開頭的所有文件，那麼命令

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介面和軟體設計。它的原型是：該功能或者特徵應該符合用戶的預期，不應該使用戶感到驚訝和震驚。

一些有經驗的程式設計師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式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。

很多人都不喜歡冗餘，為什麼在 cp 就能描述清楚你想幹什麼時候還使用 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元串 ard 的行，Linux 程式設計師應該輸入

grep ard f

Linux 介面

Linux 系統是一種金字塔模型的系統，如下所示

應用程式發起系統調用把參數放在暫存器中(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，庫中的函數對應著系統調用。有些函數是使用彙編編寫的，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後執行系統調用指令。因此如果你想要執行 read 系統調用的話，C 程式會調用 read 函數庫來執行。這裡順便提一下，是由 POSIX 指定的庫介面而不是系統調用介面。也就是說，POSIX 會告訴一個標準系統應該提供哪些庫過程，它們的參數是什麼，它們必須做什麼以及它們必須返回什麼結果。

除了作業系統和系統調用庫外，Linux 作業系統還要提供一些標準程式，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式。因此我們可以說 Linux 具有三種不同的介面：系統調用介面、庫函數介面和應用程式介面

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式。

Linux 上的 GUI 由 X 窗口支援，主要組成部分是 X 伺服器、控制鍵盤、滑鼠、顯示器等。當在 Linux 上使用圖形介面時，用戶可以通過滑鼠點擊運行程式或者打開文件，通過拖拽將文件進行複製等。

Linux 組成部分

事實上，Linux 作業系統可以由下面這幾部分構成

• 引導程式(Bootloader)：引導程式是管理電腦啟動過程的軟體，對於大多數用戶而言，只是彈出一個螢幕，但其實內部作業系統做了很多事情
• 內核(Kernel)：內核是作業系統的核心，負責管理 CPU、記憶體和外圍設備等。
• 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式的子系統。一旦從引導載入程式移交了初始引導，它就是用於管理引導過程的初始化系統。
• 後台進程(Daemon)：後台進程顧名思義就是在後台運行的程式，比如列印、聲音、調度等，它們可以在引導過程中啟動，也可以在登錄桌面後啟動
• 圖形伺服器(Graphical server)：這是在監視器上顯示圖形的子系統。通常將其稱為 X 伺服器或 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式，比如文件管理器、Web 瀏覽器、遊戲等
• 應用程式(Applications)：桌面環境不提供完整的應用程式，就像 Windows 和 macOS 一樣，Linux 提供了成千上萬個可以輕鬆找到並安裝的高品質軟體。

Shell

儘管 Linux 應用程式提供了 GUI ，但是大部分程式設計師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 窗口然後就在 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複性勞損(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，在螢幕上輸出一個 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後，shell 提取其中的第一個詞，這裡的詞指的是被空格或製表符分隔開的一連串字元。假定這個詞是將要運行程式的程式名，那麼就會搜索這個程式，如果找到了這個程式就會運行它。然後 shell 會將自己掛起直到程式運行完畢，之後再嘗試讀入下一條指令。shell 也是一個普通的用戶程式。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，它們作為字元串傳遞給所調用的程式。比如

cp src dest

會調用 cp 應用程式並包含兩個參數 src 和 dest。這個程式會解釋第一個參數是一個已經存在的文件名，然後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 應用程式列印文件的前 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誌(flag)，按照慣例標誌應該使用 - 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 程式輸出文件名為 20 的文件的前 10 行，然後輸出文件名為 file 文件的前 10 行。Linux 作業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 支援 魔法字元(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元串

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，則會在後面進行並列。

另一個通配符是問號，負責匹配任意一個字元。一組在中括弧中的字元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 應用程式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 程式默認是從標準輸入進行輸入並從標準輸出進行輸出。比如

sort	

會調用 sort 程式，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，然後將結果輸出到螢幕上。

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 < 後面跟文件名。標準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準輸入和輸出。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。由於標準錯誤沒有重定向，所以錯誤資訊會直接列印到螢幕上。從標準輸入讀入，對其進行處理並將其寫入到標準輸出的程式稱為 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 應用程式，從標準輸入 in 中進行讀取，並通過標準輸出到 temp。當程式運行完畢後，shell 會運行 head ，告訴它列印前 30 行，並在標準輸出(默認為終端)上列印。最後，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式通常會產生輸出，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 應用程式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 的行被寫到標準輸出中，然後進行排序。這些內容中的前 30 行被 head 出來並傳給 tail ，它又將最後 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，然後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：//www.shellscript.sh/

shell 腳本其實也是一段程式，shell 腳本中可以對變數進行賦值，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 也是一個用戶程式，所以用戶可以選擇不同的 shell。

Linux 應用程式

Linux 的命令行也就是 shell，它由大量標準應用程式組成。這些應用程式主要有下面六種

• 文件和目錄操作命令
• 過濾器
• 文本程式
• 系統管理
• 程式開發工具，例如編輯器和編譯器
• 其他

除了這些標準應用程式外，還有其他應用程式比如 Web 瀏覽器、多媒體播放器、圖片瀏覽器、辦公軟體和遊戲程式等。

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

我們先從幾個例子開始講起，比如

cp a b

是將 a 複製一個副本為 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 是將文件進行複製，複製完成後會有兩個文件 a 和 b；而 mv 相當於是文件的移動，移動完成後就不再有 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許可權；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 應用程式還包括過濾器 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 將輸入進行排序並輸出到標準輸出；head 提取輸入的前幾行；tail 提取輸入的後面幾行；除此之外的過濾器還有 cut 和 paste，允許對文本行的剪切和複製；od 將輸入轉換為 ASCII ；tr 實現字元大小寫轉換；pr 為格式化列印輸出等。

程式編譯工具使用 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式，往往這類程式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，然後安排自動編譯的過程。

下面列出了 POSIX 的標準應用程式

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

內核直接坐落在硬體上，內核的主要作用就是 I/O 交互、記憶體管理和控制 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。這裡的低級程式碼停止正在運行的進程，將其狀態保存在內核進程結構中，並啟動驅動程式。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。

注意這裡的調度器是 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。

然後，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路和存儲 I/O 操作的所有內核部分。

從圖中可以看出 I/O 層次的關係，最高層是一個虛擬文件系統，也就是說不管文件是來自記憶體還是磁碟中，都是經過虛擬文件系統中的。從底層看，所有的驅動都是字元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。網路驅動設備並不是一種獨立的驅動設備，它實際上是一種字元設備，不過網路設備的處理方式和字元設備不同。

上面的設備驅動程式中，每個設備類型的內核程式碼都不同。字元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元串發送給程式進行編輯。

網路軟體通常是模組化的，由不同的設備和協議來支援。大多數 Linux 系統在內核中包含一個完整的硬體路由器的功能，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 介面，socket 負責與外部進行通訊，充當了門的作用。

磁碟驅動上面是 I/O 調度器，它負責排序和分配磁碟讀寫操作，以儘可能減少磁頭的無用移動。

• I/O 右邊的是記憶體部件，程式被裝載進記憶體，由 CPU 執行，這裡會涉及到虛擬記憶體的部件，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快取。

• 進程模組負責進程的創建和終止、進程的調度、Linux 把進程和執行緒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介面，所有的系統調用都是經過這裡，系統調用會觸發一個 trap，將系統從用戶態轉換為內核態，然後將控制權移交給上面的內核部件。