Linux基础 | 青训营笔记

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学习Linux 的价值

  • Linux是现代化应用程序交付的首选平台，无论是部署在裸机、虚拟化还是容器化环境
  • 公司内部服务（TCE、FaaS、SCM）统一使用DebianLinux系统
  • 熟悉Linux基础指令，熟练运维前端常用服务 （Nginx，Node.js）
  • 加深对操作系统概念和实现的理解，夯实基础知识

计算机硬件

计算机五大基本单元

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  • 控制器
  • 控制器是计算机的“大脑”，用于控制计算机中的各种操作。它接收指令，解码指令，调度指令，并且通过总线将指令发送到其他单元，以控制它们执行指令
  • 举例：计算机执行一个打印操作时，控制器会通过运算器进行相关运算，然后将需要打印的数据存储到存储器单元中，最后通过输出单元将数据输出到打印机中
  • 运算器
  • 运算器是计算机中的算术和逻辑单元，用于执行各种算术和逻辑运算。它由ALU（算术逻辑单元）和其他寄存器组成
  • 举例：计算机执行加法操作时，将需要计算的两个数存储在寄存器中，运算器会从寄存器中读取这两个数并进行加法运算，将结果存储到另一个寄存器中
  • 存储器单元
  • 存储器单元是计算机中的存储单元，用于存储程序和数据。它分为内存和外存两部分，内存一般指主存储器，外存一般指磁盘等外部存储设备
  • 举例：主存储器中存储着当前正在执行的程序和需要处理的数据，而辅助存储器则用于长期存储数据和程序
  • 输入单元
  • 输入单元是计算机中的输入设备，用于接收外部数据并将其传输到计算机系统中。例如，键盘、鼠标、扫描仪等都是输入单元
  • 举例：键盘就是一种输入单元，可以将输入的字符或指令送到计算机中进行处理
  • 输出单元
  • 输出单元是计算机中的输出设备，用于将计算机系统中的数据传输到外部环境中。例如，显示器、打印机、喇叭等都是输出单元
  • 举例：显示器、打印机等就是一种输出单元，可以将计算机处理后的数据显示出来或者打印出来

计算机操作系统

管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源，用于在用户与系统硬件之间传递信息。

  • 承上启下：

    • 承上：在操作系统之上可以运用我们的计算机应用程序
    • 启下：可以直接与硬件做出交互

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  • 问题思考：
  • 程序启动必须有操作系统来执行，那操作系统本身也是一个程序，那是如何在开机时被执行的呢？

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在计算机启动时，最先被执行的是计算机 BIOS（Basic Input/Output System）或 UEFI（Unified Extensible Firmware Interface），它们是计算机的固件，也就是硬件上的软件。BIOS 或 UEFI 将会执行 POST（Power On Self Test，自检程序）以确认硬件设备是否正常。

接着，BIOS 或 UEFI 会寻找启动盘（通常是硬盘或者 USB 设备），读取启动盘中的引导程序。引导程序是一个小程序，它被放置在启动盘的特定位置，用于启动操作系统。

当引导程序被加载后，它会加载操作系统内核和初始化程序，并将控制权转移到操作系统内核中，启动操作系统的运行。操作系统会根据用户或者系统设置，加载相应的服务和应用程序，提供计算机的各种功能

BIOS与UEFI

BIOS和UEFI都是计算机的固件，也就是硬件上的软件。它们的作用是在计算机启动时初始化硬件，检测设备是否正常，然后启动操作系统。

BIOS（Basic Input/Output System，基本输入输出系统）是一种早期的固件，它在计算机启动时负责执行POST（Power On Self Test，自检程序），检测硬件设备是否正常，然后加载引导程序，启动操作系统。BIOS存储在主板上的闪存芯片中，由于其限制比较多，如容量小、功能简单、启动速度慢等，已逐渐被新一代的UEFI所取代。

UEFI（Unified Extensible Firmware Interface，统一可扩展固件接口）是BIOS的后继者，是一种新型的计算机固件，提供比BIOS更多的功能和扩展性。UEFI支持更大的启动盘和更多的文件系统，也支持更高级的安全和启动选项，同时启动速度更快。UEFI通常存储在主板上的闪存芯片中，并由厂商提供升级固件的方式，使其支持新的硬件和功能。

在操作系统安装时，需要选择与BIOS或UEFI兼容的启动方式。在BIOS时代，常用的启动方式是Legacy BIOS（传统BIOS）启动模式，而在UEFI时代，常用的启动方式是UEFI启动模式。通常情况下，UEFI启动方式更为推荐，因为它提供了更多的功能和扩展性，同时也支持传统BIOS启动方式，以兼容老的硬件设备。

流程图含义
BIOS自检（Basic Input/Output System Self-Test）BIOS自检是计算机开机时自动运行的硬件诊断程序，它负责检查计算机硬件是否正常工作。自检过程包括以下内容：检查CPU、内存、磁盘驱动器、键盘、鼠标、打印机等硬件设备，以及系统时钟、电池电量等。如果自检过程出现错误，计算机将会发出一系列的声音和/或显示信息，提示用户出现了哪些问题
Bootloader（引导程序）Bootloader是计算机启动过程中第一个被执行的程序，它负责在计算机启动时加载操作系统。当计算机启动时，BIOS或UEFI会寻找可启动设备，并将控制权交给该设备上的引导程序。引导程序会在可引导设备上查找操作系统的引导记录，并将控制权传递给该记录。如果找到引导记录，则引导程序会将控制权交给该记录，从而启动操作系统
操作系统OS略

Linux系统概览

Linux发展简史

  1. 1969年，Uniⅸ诞生于贝尔实验室
  2. 1984年，贝尔实验室将Unix商业化
  3. 1984年，Tanenbaum开发Minix操作系统用于教学并开放源码
  4. 1984年，Richard M.Stallman发起自由软件(FSF)与GNU项目，起草GPL（通用公共许可）协议
  5. 1991年，Linus Torvalds:受Minix影响实现初版的Linux内核
  6. 1992年，Liux内核以GPL协议发行V1.0
  • 以上都处于诞生和初期的发展
  1. 1991年~1994年：诞生和初期发展

1991年，Linus Torvalds在芬兰大学创建了Linux项目，最初只是一个小型的自由软件内核项目。Linus的目标是开发一个类Unix的操作系统，能在普通的PC上运行。最初的Linux内核只有几千行代码，但随着时间的推移，越来越多的程序员加入了开发队伍，使得Linux内核逐渐变得庞大和复杂。

  1. 1995年~2005年：商业化和扩张期

在这个时期，Linux发展迅速，开始获得商业公司的广泛认可。1995年，Red Hat公司成立，开始提供基于Linux的商业服务和支持，从而打响了Linux商业化的先声。其他的公司如SUSE和Debian也相继成立，并开始提供商业化的Linux发行版。同时，Linux社区也迅速扩张，越来越多的开发者加入其中，贡献代码和支持。

  1. 2005年~至今：成熟期和广泛应用

随着时间的推移，Linux内核逐渐成熟，并被广泛应用于服务器、嵌入式系统、移动设备和个人电脑等领域。目前，Linux已经成为世界上最流行的操作系统之一，应用领域涉及云计算、人工智能、物联网、区块链等多个领域。此外，Linux社区也继续发展壮大，新的发行版、工具和技术层出不穷，使得Linux在未来的发展中仍然具有广泛的应用前景。

Linux版本

  • 内核版本
  • 发行版本

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  • 主流的Linux版本分支

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查看Linux系统内核版本

#方法1
uname -a
//显示系统的所有信息，包括内核版本号、操作系统发行版、主机名、处理器类型和架构等等
uname -r
//只显示当前Linux系统的内核版本号
​
#方法2
cat /proc/version
//cat /proc/version 命令用于显示当前 Linux 系统内核的版本号、编译者和编译日期。该命令读取 /proc/version 文件的内容并将其输出到终端上。
​
//该命令可以提供有关 Linux 内核的基本信息，包括内核版本、内核编译器和内核构建日期等。此外，它还提供了有关操作系统的其他信息，例如 GNU 工具链的版本和 CPU 架构信息。
​
//一些 Linux 系统中可能没有 /proc/version 文件，但是它们通常会提供其他方式来查看内核版本号，例如方法1的 uname -r 命令
复制代码

Linux系统应用领域

  • IT服务器(操作系统、虚拟化和云计算)
  • 嵌入式和智能设备
  • 个人办公桌面
  • 学术研究与软件研发

Linux系统结构

Linux四个主要部分

  • 内核

    • Linux操作系统的核心部分，它管理计算机硬件的资源，包括CPU、内存、磁盘、网络等。它是操作系统与硬件之间的接口，提供了一个操作系统所需的各种基本服务和功能，如进程管理、文件系统、内存管理、网络协议栈等。

  • shell

    • Shell是用户与Linux内核之间的接口，是一个命令解释器，提供了一种命令行界面供用户进行交互。在Shell中，用户可以输入命令和参数，执行脚本和程序，管理文件和目录等

  • 文件系统

    • 文件系统是Linux操作系统中用于管理文件和目录的机制，是用户与操作系统之间进行文件交互的接口。Linux支持多种文件系统，如ext4、NTFS、FAT32等。它们管理着磁盘上的文件和目录，并提供文件读写、权限控制等基本功能

  • 应用程序

    • 应用程序是运行在Linux操作系统上的各种软件，如文本编辑器、浏览器、视频播放器、编译器等。Linux操作系统拥有众多的应用程序，涵盖了各种领域，可以满足不同用户的需求

Linux体系结构

Linux 的体系结构是一个多层次的体系结构，包括硬件层、内核层、应用程序层和用户层。

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Linux 的体系结构含义
硬件层包括计算机硬件设备，如 CPU、内存、磁盘、网络等
内核层是 Linux 的核心，负责管理硬件和提供系统服务。它包括系统调用、设备驱动程序、网络协议栈、虚拟文件系统等
应用程序层是构建在内核之上的各种应用程序，如图形用户界面、Web 服务器、数据库、邮件服务器等
用户层是用户与系统交互的界面，包括 shell、图形用户界面、命令行工具等。用户可以通过这些界面来与系统交互、操作文件和程序

用户空间和内核空间

  • 用户空间是指应用程序运行的空间，包括用户应用程序、库、各种进程、服务等。用户空间的特点是受限制的权限，应用程序只能访问自己所拥有的资源，如自己的进程空间、自己的内存、自己的磁盘空间等。同时，用户空间还包括了各种 shell，用户可以通过 shell 进行命令行操作，从而控制整个系统
  • 内核空间是指操作系统内核运行的空间，包括各种驱动程序、系统调用等。内核空间的特点是拥有系统级的权限，可以访问所有资源，包括 CPU、内存、磁盘、网络等。内核空间的代码通常运行在特权级别最高的模式下，可以直接操作硬件，因此内核空间的代码很少出错，一旦出错会导致整个系统崩溃
  • 用户空间和内核空间之间通过系统调用进行通信。应用程序可以通过系统调用请求内核提供服务，如读写文件、网络通信、进程管理等。内核收到系统调用后会根据请求提供相应的服务，并返回结果给应用程序

中途涉及知识点：

应用程序发起 IO 请求的过程可以简单地概括为以下步骤：

  1. 应用程序通过系统调用向内核发起 IO 请求。
  2. 内核收到请求后，检查请求是否合法。如果请求不合法，则内核会向应用程序返回错误码。
  3. 如果请求合法，内核会将请求加入到等待队列中，并将控制权返还给应用程序。
  4. 当 IO 设备完成请求后，会产生一个中断信号通知内核。
  5. 内核在中断处理程序中检查等待队列，将完成的请求从队列中移除，并将数据从内核空间复制到应用程序空间。如果有多个请求等待处理，内核会按照一定的策略进行调度，以确保公平性和效率。
  6. 当请求处理完成后，内核会向应用程序发送一个信号，通知请求已经完成。
  7. 应用程序收到信号后，继续执行自己的逻辑，处理已经完成的 IO 请求。

系统调用过程：

系统调用（system call）是操作系统向用户程序提供服务的接口，是操作系统的核心组成部分之一。它可以被视为用户程序与操作系统之间的桥梁，用户程序通过调用系统调用来向操作系统请求服务。

系统调用的一般过程如下：

  1. 用户程序通过编写代码调用系统调用，指定调用的系统调用类型和参数。
  2. 系统调用会将控制权转移到操作系统内核，即从用户态切换到内核态。
  3. 在内核态中，操作系统会执行相应的系统调用，并根据调用的类型和参数进行相应的处理。
  4. 处理完成后，操作系统将返回结果给用户程序，即从内核态切换回用户态。

在这个过程中，由于切换操作的开销比较大，因此系统调用的执行速度相对比较慢，因此在设计程序时应尽量避免频繁的系统调用操作。

  • 内核是硬件与软件之间的中间层
  • 内核是一个资源管理程序
  • 内核提供一组面向系统的命令

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  • 像中间层靠着门的企鹅就是在监视着80端口
  • 中间层两个肩扛管道的企鹅说明了，进程(企鹅)之间是允许进行管道通信的
  • FS这个标志楼梯证明进程能够直接访问底层的

Linux系统结构 --进程管理

在Linux中，进程是指正在执行的程序实例。每个进程都拥有自己独立的虚拟地址空间、寄存器集合和打开文件的描述符等资源。进程是Linux中最为重要的概念之一

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