自学Linux Shell1.1-Linux初识

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1.1-Linux初识(架构、内核、shell)

1. Linux架构

Linux系统一般有4个主要部分：内核、shell、文件系统和应用程序。（有的书籍分为硬件、内核、系统调用和应用程序）

内核、shell和文件系统一起形成了基本的操作系统结构，它们使得用户可以运行程序、管理文件并使用系统。部分层次结构如图所示。

 

最内层是计算机资源(硬件)，最外层是用户常用的应用； 硬件是物质基础，而应用提供服务。

Linux首先启动内核 (kernel)，内核是一段计算机程序，这个程序直接管理管理硬件，包括CPU、内存空间、硬盘接口、网络接口等等。所有的计算机操作都要通过内核传递给硬件。

为了方便调用内核，Linux将内核的功能接口制作成系统调用(system call)。SCI 层提供了某些机制执行从用户空间到内核的函数调用。这个接口依赖于体系结构，甚至在相同的处理器家族内也是如此。SCI 实际上是一个非常有用的函数调用多路复用和多路分解服务。在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的实现，并在 ./linux/arch 中找到依赖于体系结构的部分。

系统调用看起来就像C语言的函数。你可以在程序中直接调用。Linux系统有两百多个这样的系统调用。用户不需要了解内核的复杂结构，就可以使用内核。系统调用是操作系统的最小功能单位。一个操作系统，以及基于操作系统的应用，都不可能实现超越系统调用的功能。一个系统调用函数就像是汉字的一个笔画。任何一个汉字都要由基本的笔画（点、横、撇等等）构成。我不能臆造笔画。

系统调用提供的功能非常基础，所以使用起来很麻烦。一个简单的给变量分配内存空间的操作，就需要动用多个系统调用。Linux定义一些库函数(library routine)来将系统调用组合成某些常用的功能。上面的分配内存的操作，可以定义成一个库函数(像malloc()这样的函数)。再比如说，在读取文件的时候，系统调用要求我们设置好所需要的缓冲。我可以使用Standard IO库中的读取函数。这个读取函数既负责设置缓冲，又负责使用读取的系统调用函数。使用库函数对于机器来说并没有效率上的优势，但可以把程序员从细节中解救出来。库函数就像是汉字的偏旁部首，它由笔画组成，但使用偏旁部首更容易组成字，比如"铁"。当然，你也完全可以不使用库函数，而直接调用系统函数，就像“人”字一样，不用偏旁部首。(实际上，一个操作系统要称得上是UNIX系统，必须要拥有一些库函数，比如ISO C标准库，POSIX标准等。)

shell是一个特殊的应用。很多用户将它称为命令行。shell是一个命令解释器(interpreter)，一个shell对应一个终端 (terminal)。

应用是一个程序，它可以

• 直接调用系统函数
• 调用库函数
• 运行shell脚本

这些应用可以由多种语言开发。最常见的是C语言。

2. Linux内核

内核是操作系统的核心，具有很多最基本功能，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。

Linux 内核由如下几部分组成：内存管理、进程管理(软件程序管理)、设备驱动程序(硬件管理)、文件系统管理和网络管理等。如图：

2.1 内存管理

对任何一台计算机而言，其内存以及其它资源都是有限的。为了让有限的物理内存满足应用程序对内存的大需求量，Linux  采用了称为“虚拟内存swap space”的内存管理方式。Linux  将内存划分为容易处理的“内存页”（对于大部分体系结构来说都是 4KB）。Linux 包括了管理可用内存的方式，以及物理和虚拟映射所使用的硬件机制。

不过内存管理要管理的可不止 4KB 缓冲区。Linux 提供了对 4KB 缓冲区的抽象，例如 slab 分配器。这种内存管理模式使用 4KB 缓冲区为基数，然后从中分配结构，并跟踪内存页使用情况，比如哪些内存页是满的，哪些页面没有完全使用，哪些页面为空。这样就允许该模式根据系统需要来动态调整内存使用。
为了支持多个用户使用内存，有时会出现可用内存被消耗光的情况。由于这个原因，页面可以移出内存并放入磁盘中。这个过程称为交换，因为页面会被从内存交换到硬盘上。内存管理的源代码可以在 ./linux/mm 中找到。

2.2 进程管理(软件程序管理)

进程实际是某特定应用程序的一个运行实体。

内核创建第一个进程init进程来启动系统上所有其他进程，当内核启动后，将init进程加载到虚拟内存中，然后启动其他进程时候都会在虚拟内存中给新进程分配一块专有区域存储该进程用到的数据和代码。

大部分linux发行版会使用一个表管理系统开机时自启动的进程，放置于/etc/inittab中；   其他系统会放置于/etc/init.d中，通过/etc/rc.X.d目录下的入口启动。

在 Linux  系统中，能够同时运行多个进程，Linux  通过在短的时间间隔内轮流运行这些进程而实现“多任务”。这一短的时间间隔称为“时间片”，让进程轮流运行的方法称为“进程调度” ，完成调度的程序称为调度程序。

进程调度控制进程对CPU的访问。当需要选择下一个进程运行时，由调度程序选择最值得运行的进程。可运行进程实际上是仅等待CPU资源的进程，如果某个进程在等待其它资源，则该进程是不可运行进程。Linux使用了比较简单的基于优先级的进程调度算法选择新的进程。

通过多任务机制，每个进程可认为只有自己独占计算机，从而简化程序的编写。每个进程有自己单独的地址空间，并且只能由这一进程访问，这样，操作系统避免了进程之间的互相干扰以及“坏”程序对系统可能造成的危害。 为了完成某特定任务，有时需要综合两个程序的功能，例如一个程序输出文本，而另一个程序对文本进行排序。为此，操作系统还提供进程间的通讯机制来帮助完成这样的任务。Linux 中常见的进程间通讯机制有信号、管道、共享内存、信号量和套接字等。

内核通过 SCI 提供了一个应用程序编程接口（API）来创建一个新进程（fork、exec 或 Portable Operating System Interface [POSⅨ] 函数），停止进程（kill、exit），并在它们之间进行通信和同步（signal 或者 POSⅨ 机制）。

Linux系统有7个运行级别(runlevel)

• 运行级别0：系统停机状态，系统默认运行级别不能设为0，否则不能正常启动
• 运行级别1：单用户工作状态，root权限，用于系统维护，禁止远程登陆
• 运行级别2：多用户状态(没有NFS)
• 运行级别3：完全的多用户状态(有NFS)，登陆后进入控制台命令行模式
• 运行级别4：系统未使用，保留
• 运行级别5：X11控制台，登陆后进入图形GUI模式
• 运行级别6：系统正常关闭并重启，默认运行级别不能设为6，否则不能正常启动

运行级别的原理：

• 在目录/etc/rc.d/init.d下有许多服务器脚本程序，一般称为服务(service)
• 在/etc/rc.d下有7个名为rcN.d的目录，对应系统的7个运行级别
• rcN.d目录下都是一些符号链接文件，这些链接文件都指向init.d目录下的service脚本文件，命名规则为K+nn+服务名或S+nn+服务名，其中nn为两位数字。
• 系统会根据指定的运行级别进入对应的rcN.d目录，并按照文件名顺序检索目录下的链接文件
   对于以K开头的文件，系统将终止对应的服务
   对于以S开头的文件，系统将启动对应的服务
• 查看运行级别用：runlevel
• 进入其它运行级别用：init N
• init0为关机，init 6为重启系统

    由于现在的Linux系统安装完后就运行在第5个级别，即系统启动后直接进入图形界面，而不用在字符模式下登录后用startx或者xinit 来起动图形界面。

2.3 设备驱动程序(硬件管理)

设备驱动程序是 Linux  内核的主要部分。和操作系统的其它部分类似，设备驱动程序运行在高特权级的处理器环境中，从而可以直接对硬件进行操作，但正因为如此，任何一个设备驱动程序的错误都可能导致操作系统的崩溃。设备驱动程序实际控制操作系统和硬件设备之间的交互。

设备驱动程序提供一组操作系统可理解的抽象接口完成和操作系统之间的交互，而与硬件相关的具体操作细节由设备驱动程序完成。一般而言，设备驱动程序和设备的控制芯片有关，例如，如果计算机硬盘是 SCSI  硬盘，则需要使用 SCSI  驱动程序，而不是 IDE 驱动程序。

2.4 文件系统管理 

和 DOS 等操作系统不同，Linux 操作系统中单独的文件系统并不是由驱动器号或驱动器名称（如 A:  或 C:  等）来标识的。相反，和 UNIX  操作系统一样，Linux 操作系统将独立的文件系统组合成了一个层次化的树形结构，并且由一个单独的实体代表这一文件系统。Linux  将新的文件系统通过一个称为“挂装”或“挂上”的操作将其挂装到某个目录上，从而让不同的文件系统结合成为一个整体。Linux  操作系统的一个重要特点是它支持许多不同类型的文件系统。Linux 中最普遍使用的文件系统是 Ext2，它也是 Linux  土生土长的文件系统。但 Linux  也能够支持 FAT、VFAT、FAT32、MINIX 等不同类型的文件系统，从而可以方便地和其它操作系统交换数据。由于 Linux  支持许多不同的文件系统，并且将它们组织成了一个统一的虚拟文件系统.

虚拟文件系统（VirtualFileSystem,VFS）:隐藏了各种硬件的具体细节，把文件系统操作和不同文件系统的具体实现细节分离了开来，为所有的设备提供了统一的接口，VFS提供了多达数十种不同的文件系统。虚拟文件系统可以分为逻辑文件系统和设备驱动程序。逻辑文件系统指Linux所支持的文件系统，如ext2,fat等，设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。

虚拟文件系统（VFS）是 Linux 内核中非常有用的一个方面，因为它为文件系统提供了一个通用的接口抽象。VFS 在 SCI 和内核所支持的文件系统之间提供了一个交换层。即VFS 在用户和文件系统之间提供了一个交换层。

VFS  在用户和文件系统之间提供了一个交换层:

在 VFS 上面，是对诸如 open、close、read 和 write 之类的函数的一个通用 API 抽象。在 VFS 下面是文件系统抽象，它定义了上层函数的实现方式。它们是给定文件系统（超过 50 个）的插件。文件系统的源代码可以在 ./linux/fs 中找到。

文件系统层之下是缓冲区缓存，它为文件系统层提供了一个通用函数集（与具体文件系统无关）。这个缓存层通过将数据保留一段时间（或者随即预先读取数据以便在需要是就可用）优化了对物理设备的访问。缓冲区缓存之下是设备驱动程序，它实现了特定物理设备的接口。

因此，用户和进程不需要知道文件所在的文件系统类型，而只需要象使用 Ext2  文件系统中的文件一样使用它们。

2.5  网络接口（NET）   

提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。网络接口可分为网络协议和网络驱动程序。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议。众所周知，TCP/IP  协议是 Internet  的标准协议，同时也是事实上的工业标准。

Linux  的网络实现支持 BSD 套接字，支持全部的TCP/IP协议。Linux内核的网络部分由BSD套接字、网络协议层和网络设备驱动程序组成。网络设备驱动程序负责与硬件设备通讯，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。

3 . linux shell

shell是系统的用户界面，提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。它接收用户输入的命令并把它送入内核去执行，是一个命令解释器。另外，shell编程语言具有普通编程语言的很多特点，用这种编程语言编写的shell程序与其他应用程序具有同样的效果。
目前主要有下列版本的shell。
1．Bourne Shell：是贝尔实验室开发的。
2．BASH：是GNU的Bourne Again Shell，是GNU操作系统上默认的shell,大部分linux的发行套件使用的都是这种shell。
3．Korn Shell：是对Bourne SHell的发展，在大部分内容上与Bourne Shell兼容。
4．C Shell：是SUN公司Shell的BSD版本。