寄语

Linux 是一个生态，里面丰富多彩。很多大牛都是基于 Linux 来开发各种各样的软件。可以这么说，只要你能想象到的技术领域，几乎都能在里面找到 Linux 的身影。

数据库 MySQL、PostgreSQL，消息队列 RabbitMQ、Kafka，大数据 Hadoop、Spark，虚拟化 KVM、Openvswitch，容器 Kubernetes、Docker，这些软件都会默认提供 Linux 下的安装、使用、运维手册，都会默认先适配 Linux。

Linux 操作系统中的概念非常多，数据结构也很多，流程也复杂，一般人在学习的过程中很容易迷路。所谓“一图胜千言”，我希望能够通过图的方式，将这些复杂的概念、数据结构、流程表现出来，争取用一张图串起一篇文章的知识点。最终，整个专栏下来，你如果能把这些图都掌握了，你的知识就会形成体系和连接。在此基础上再进行深入学习，就会如鱼得水、易如反掌。

正文：

硬盘是个物理设备，要按照规定格式成为文件系统，才能存放程序。文件系统需要一个系统进行统一管理，成为文件管理子系统。

例如，QQ没有启动的时候就是硬盘里面的一堆二进制文件，称为程序(program)，当运行起来之后，是不断进行的，就称为进程(process)

在操作系统中，进程的执行也需要分配cpu进行执行，也就是按照程序里面的二进制代码一行一行地执行，于是，为了管理进程，我们还需要一个进程管理子系统。如果运行的进程很多，则一个cpu会并发运行多个进程，也就需要cpu的调度能力了。

在操作系统中，不同的进程有不同的内存空间，但是整个电脑内存就这么多，所以需要统一的管理和分配，这就需要内存管理子系统。

QQ 启动之后，有一部分代码会在显示器上画一个对话框，并且将键盘的焦点放在了输入框里面。CPU 根据这些指令，就会告知显卡驱动程序，将这个对话框画出来。于是使用 QQ 的用户就会很开心地发现，他能和别人开始聊天了。当用户通过键盘噼里啪啦打字的时候，键盘也是输入设备，也会触发中断，通知相应的输入设备驱动程序。所以在计算机中，就需要一个统一管理输入输出的系统，这个系统就叫设备子系统。

假设用户输入了个a，对于 QQ 来讲，由于键盘闪啊闪的焦点在 QQ 这个对话框上，因而操作系统知道，这个事件是给这个进程的。QQ 的代码里面肯定有遇到这种事件如何处理的代码，就会执行。一般是记录下客户的输入，并且告知显卡驱动程序，在那个地方画一个“a”。显卡画完了，客户看到了，就觉得自己的输入成功了。当用户输入完毕之后，回车一下，还是会通过键盘驱动程序告诉操作系统，操作系统还是会找到 QQ，QQ 会将用户的输入发送到网络上。QQ 进程是不能直接发送网络包的，需要调用系统调用，内核使用网卡驱动程序进行发送，所以这就需要一个统一管理网络的系统，这就是网络子系统

那么一个操作系统其实就是以以上7个管理子系统去构成的。

在linux上，无论是系统自带的命令还是自己写的程序，运行起来都是进程。一切的程序都是使用系统调用。系统调用决定了这个操作系统好用不好用，功能全不全。

进程管理

运行程序对应到linux操作系统中就是创建进程，创建进程的系统调用叫fork。在linux里，要创建一个新的进程，需要一个老的进程调用fork来实现，其中老的进程叫做父进程，新的进程叫做子进程。

当父进程调用fork创建进程的时候，子进程将各个子系统为父进程创建的数据结构也全部拷贝了一份，甚至连程序代码也是拷贝过来的，再然后对于fork系统调用的返回值，如果当前进程是子进程，就返回0；如果当前进程是父进程，就返回子进程的进程号。这样首先在返回值这里就有了一个区分，然后通过if-else语句判断，如果是父进程，还接着做原来应该做的事情；如果是子进程，需要请求另一个系统调用execve来执行另一个程序，这个时候，子进程和父进程就彻底分道扬镳了，也即产生了一个分支(fork)了。

内存管理

在操作系统中，每个进程都有自己的内存，互相之间不干扰，有独立的进程内存空间。

对于进程的内存空间来讲，放程序代码的这部分内存空间，称为代码段(code segment)

对于进程的内存空间来说，放进程运行中产生数据的这部分，称为数据段(data segment)。

其中局部变量的部分，在当前函数执行的时候起作用，当进入另一个函数时，这个变量就释放了；也有动态分配的，会较长时间保存，指明才销毁的，这部分称为堆(heap)

一个进程的内存空间很大的，32位的是4G，64位的就更大了，我们不可能有这么多物理内存，不可能事先给所有的进程都分配好，一定是需要的时候再分配。所以进程自己不用的部分就不用管，只有进程要去使用部分内存的时候，才会使用内存管理的系统调用来登记，说自己马上就要用了，希望分配一部分内存给它。但是这还不代表真的对应到了物理内存，只有真的写入数据的时候，发现没有对应物理内存，才会触发一个中断，再分配物理内存。

接下来用会议室来比喻介绍堆里面分配内存的系统调用，brk和mmap。当分配的内存数量比较小的时候，使用brk，会和原来的堆的数据连在一起，这就像会议室里多分配两三个工位，在原来的区域旁边搬两把椅子就行了。当分配的内存数量比较大的时候，使用mmap。会重新划分一块区域，也就是说，当开会人数太多的时候，索性来个一整间会议室。

文件管理

文件管理其实花样不多，无非是创建，打开，读，写等。

对于文件的操作，六个系统调用是最重要的：

.对于已经有的文件，可以使用open打开这个文件，close关闭这个文件；

.对于没有的文件，可以使用create创建文件；

.打开文件以后，可以使用lseek跳到文件的某个位置；

.可以对文件的内容进行读写，读的系统调用是read，写是write

但是linux里有一个特点，那就是一切皆文件。

。启动一个进程，需要一个程序文件，这是一个二进制文件

。启动的时候，需要加载一些配置文件，例如yml，properies等，这是文本文件；启动之后会打印一些日志，如果写到硬盘上，也是文本文件。

。但是如果想把日志打印到交互控制台上，在命令行上刷刷地打印出来，这其实也是一个文件，是标准输出stdout文件

。这个进程的输出可以作为另一个进程的输入，这种方式称为管道，管道也是一个文件。

。进程可以通过网络和其他进程进行通信，建立的socket，也是一个文件。

。进程需要访问外部设备，设备也是一个文件。

。文件都被存储在文件夹里面，其实文件夹也是一个文件。

。进程运行起来，要想看到进程运行的情况，会在/proc下面有对应的进程号，还有一系列文件。每个文件，linux都会分配一个文件描述符，这是一个整数。有了这个文件描述符，我们就可以使用系统调用，查看或干预进程运行的方方面面。

所以说，文件操作是贯穿始终的，这也是“一切皆文件”的优势，就是统一了操作的入口，提供了极大的便利。

信号处理

在程序运行过程中，不一定都是一帆风顺的，很可能遇到各种异常情况。

当程序遇到异常情况，例如程序中断，做到一半不做了。这时候就需要发送一个信号给系统调用。经常遇到的信号有以下几种：

。在执行一个程序的时候，在键盘输入“ctrl+c”，这就是中断的信号，正在执行的命令就会中止退出；

。非法访问内存

。硬件故障，设备出了问题，当然要通知系统调用

。用户进程通过kill函数，将一个用户信号发送给另一个进程

当系统调用收到信号的时候，系统调用将决定如何处理这些异常情况。

对一些不严重的信号，可以忽略，该干啥干啥，但是像sigkill(用于终止一个进程的信号)和sigstop(用于中止一个进程的信号)是不能忽略的，可以执行对于该信号的默认动作。

每种信号都定义了默认的动作，例如硬件故障，默认终止；也可以提供信号处理函数，可以通过sigaction系统调用，注册一个信号处理函数。

进程间通信

下面用一个例子来说比喻。

当某个项目比较大的时候，可能分成多个项目组，不同的项目组需要相互交流，相互配合才能完成，这就需要一个项目组之间的沟通机制。项目组之间的沟通方式有很多种。

首先就是发个消息，不需要一段很长的数据，这种方式称为消息队列(message queue)。由于一个公司的多个项目组沟通时，这个消息队列是在内核里的，我们可以通过msgget创建一个新的队列，msgsnd将消息发送到消息队列，而消息接收方可以使用msgrcv从队列中取消息。

当两个项目组需要交互的信息比较大的时候，可以使用共享内存的方式，也即两个项目组共享一个会议室(这样数据就不需要拷贝来拷贝去)大家都到这个会议室来，就可以完成沟通了。这时候，我们通过shmget创建一个共享内存块，通过shmat将共享内存映射到自己的内存空间，然后就可以读写了。

但是，两个项目组共同访问一个会议室里的数据，就会存在“竞争”的问题。如果大家同时修改同一块数据咋办？这就需要有一种方式，让不同的人能够排他地访问，这就是信号量的机制 Semaphore。

这个机制比较复杂，这里说一种简单的场景。对于只允许一个人访问的需求，我们可以将信号量设为 1。当一个人要访问的时候，先调用sem_wait。如果这时候没有人访问，则占用这个信号量，他就可以开始访问了。如果这个时候另一个人要访问，也会调用 sem_wait。由于前一个人已经在访问了，所以后面这个人就必须等待上一个人访问完之后才能访问。当上一个人访问完毕后，会调用sem_post将信号量释放，于是下一个人等待结束，可以访问这个资源了。

网络通信

不同机器通过网络相互通信，要遵循相同的网络协议，也即TCP/IP网络协议栈。linux内核里有对于网络协议栈的实现。

网络服务是通过套接字socket来提供服务的。socket这个名字，可以翻译为插口或者插槽。可以想象成有一根网线，一头插在客户端，一头插在服务端，然后进行通信。因此，在通信之前，双方都要建立一个socket。

可以通过系统调用建立一个socket，socket也是一个文件，也有一个文件描述符，也可以通过读写函数进行通信。

glibc

Glibc 是 Linux 下使用的开源的标准 C 库，它是 GNU 发布的 libc 库。Glibc 为程序员提供丰富的 API，除了例如字符串处理、数学运算等用户态服务之外，最重要的是封装了操作系统提供的系统服务，即系统调用的封装。每个特定的系统调用对应了至少一个 Glibc 封装的库函数，比如说，系统提供的打开文件系统调用 sys_open 对应的是 Glibc 中的 open 函数。有时候，Glibc 一个单独的 API 可能调用多个系统调用，比如说，Glibc 提供的 printf 函数就会调用如 sys_open、sys_mmap、sys_write、sys_close 等等系统调用。也有时候，多个 API 也可能只对应同一个系统调用，如 Glibc 下实现的 malloc、calloc、free 等函数用来分配和释放内存，都利用了内核的 sys_brk 的系统调用。

总结思维导图：