Linux基础 | 青训营笔记

别町星灯
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一直以来用的都是Windows系统，总是看到Linux系统也没找到机会学习，借这节课浅浅入个门吧~

计算机硬件

在冯·诺依曼计算机体系中，计算机由五大基本单元组成：

  • 控制器：协调和指挥计算机中的其他部件进行工作
  • 运算器：进行算术和逻辑运算

一般可以认为控制器和运算器组成了CPU单元。

  • 存储器
    • 内存（主存储器）：用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。
    • 外存：磁盘、光驱……
  • 输入单元：键盘、鼠标……
  • 输出单元：显示器、音响……

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计算机操作系统(Operating System，OS)

OS用于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。

两大功能：

  • 管理计算机资源
    • 处理器管理
    • 存储器管理
    • 设备管理
    • 文件管理
  • 提供用户接口
    • 命令接口
    • 图形用户接口（GUI）
    • 程序接口

❓程序启动必须由OS来执行，而OS本身也是一个程序，它是如何在开机时被执行的？

且看下文。

操作系统启动流程

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  • 传统模式：基于BIOS的启动流程
  • 主流模式：基于UEFI的启动流程

UEFI可视为BIOS的优化，优化了硬件自检，提高了启动速度；BIOS启动会配合MBR分区，导致无法引导超过2.2T的磁盘，UEFI一般配合GPT分区，支持引导超过2.2T的磁盘。

简化版流程： BIOS和UEFI都是固化在主板上的程序，计算机启动时会默认执行这段程序，然后它会找到Bootloader（操作系统引导程序）初始化操作系统，从而实现操作系统的启动。

Linux系统概览

发展简史

1969年，Unix（贝尔实验室）--> 1984年，Unix商业化 --> 1984年，Tanenbaum开发Minix操作系统 --> 同年，自由软件(FSF)与GNU项目发起，起草GPL（通用公共许可）协议 --> 1991年，Linus Torvalds受Minix影响实现初版Linux内核 --> 1992年，Linux内核以GPL协议发行V1.0（开放自由）

Linux版本

  • 内核版本：提供了进程管理、内存管理、文件系统管理、硬件资源管理等能力
  • 发行版本：Linux内核 + 常用软件，如Ubuntu、Centos……（见下图）

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内核版本查看方法：

# 方法 1
uname -a
# 方法 2
cat /proc/version
# 方法 3
uname -r

# 查看发行版本
cat /etc/os-release

方法运行效果如下：

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Linux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（安卓底层）
  • 个人办公桌面
  • 学术研究与软件研发

Linux基本组成

Linux系统一般有4个主要部分：

  • 内核
  • shell：命令解释器
  • 文件系统
  • 应用程序

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Linux体系结构

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  • 用户空间：应用程序运行于用户空间
  • 内核空间
    • 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

用户空间和内核空间分离的好处：安全，即使用户空间运行的应用程序崩溃也不会影响内核空间；权限分离，内核空间拥有最高的权限。

内核理解图示：

底层是文件管理操作，每一只企鹅可以视为一个进程，墙上的门视为一个端口。（这个漫画挺有意思，每一细节都蕴含了内核运行中的一种机制）

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Linux系统结构

进程管理

  • 进程是正在执行的一个程序或命令
  • 进程有自己的地址空间，占用一定的系统资源
  • 一个CPU核，同一时间只能运行一个进程
  • 进程由它的进程ID(PID)和其父进程的进程ID(PPID)唯一识别 Linux进程管理是一个树形结构，子进程会以父进程为模板被创建

进程信息查看方法： (TTY：泛指计算机的终端设备)

# 查看启动的nginx进程
ps -ef | grep nginx
root      230770       1  0 Apr16 ?        00:00:00 nginx: master process ./nginx

# 查看某个进程
top -p 230770
   PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU  %MEM     TIME+ COMMAND
230770 root      20   0   48792   4228   3244 S   0.0   0.2   0:00.00 nginx
# NI：进程调度优先级
# S：休眠

# 关闭指定的进程
kill 230770

# 全部进程动态实时视图
top

❓系统中运行的程序数量远大于CPU的内核数，Linux系统是如何实现同时运行它们的？ 👇

进程调度

进程调度是指操作系统按某种策略或规则选择进程占用CPU运行的过程。

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  • R (TASK_RUNNING)，可执行状态
  • S (TASK_INTERRUPTIBLE)，可中断的睡眠状态
  • D (TASK_UNINTERRUPTIBLE)，不可中断的睡眠状态
  • T (TASK_STOPPED or TASK_TRACED)，暂停状态或跟踪状态
  • Z (TASK_DEAD-EXIT_ZOMBIE)，退出状态，进程成为僵尸进程
  • X (TASK_DEAD-EXIT_DEAD)，退出状态，进程即将被销毁

进程调度原则：

  • 一个CPU核同一时间只能运行一个进程
  • 每个进程有近乎相等的执行时间
  • 对于逻辑CPU而言进程调度使用轮询的方式执行，当轮询完成则回到第一个进程反复
  • 进程执行消耗时间和进程量成正比

操作系统会创建并将进程放在调度队列中，CPU从队头开始取，保证每一个进程都被调度。

进程的系统调用
  • 内核空间（Kernal Space）：系统内核运行的空间 -- 内核态
  • 用户空间（User Space）：应用程序运行的空间 -- 用户态

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文件系统

Linux中一切皆文件！

文件系统是操作系统中负责管理持久数据的子系统，负责把用户的文件存到磁盘硬件中，持久化的保存文件。

Linux文件系统是采用树状的目录结构，最上层是/根目录，root是超级管理员权限目录。

❓Linux有很多不同的文件系统（Btrfs、JFS、ReiserFS、ext、ext2、ext3、ext4、ISO9660、XFS、Minx、MSDOS、UMSDOS…），如何实现对用户提供统一调用接口？

虚拟文件系统（VFS）

Linux在文件系统之上做了一层抽象 —— 虚拟文件系统，借助它达成不同文件操作系统的统一。

  • 对应用层提供一个标准的文件操作接口
  • 对文件系统提供一个标准的文件接入接口

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查看文件系统类型：

# df 报告文件系统磁盘空间利用率
df -T
Filesystem     Type     1K-blocks    Used Available Use% Mounted on
devtmpfs       devtmpfs    912168       0    912168   0% /dev

# mount 挂载文件系统，不带任何参数运行，会打印包含文件系统类型在内的磁盘分区信息
mount
sysfs on /sys type sysfs (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime)
proc on /proc type proc (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime)

文件基本操作：

# 查看文件夹下内容
ls

# 创建文件夹
mkdir demo

# 移动demo文件夹到/home
mv demo /home

# 删除demo文件夹
rm -r demo

# 创建空文件
touch file.txt

# 复制文件
cp file.txt file_bak.txt

cd /路径    # 切换路径
pwd        # 显示路径
cat  /路径/文件名        # 查看文件的内容。
head  -5  /路径/文件名   # 查看文件前五行内容。
tail  -num  文件名      # 从距文件尾num行开始显示。
文件读取流程

用户进程收到用户请求后，进程会先在用户缓冲区寻找是否存在请求需要的文件的缓存。如果有就直接从用户缓冲区读取文件返回，否则，发起一次IO系统调用请求，此时用户进程从用户态进入内核态。

进入内核态后，内核进程会从内核缓冲区中查找以前是否命中过相同的内容。如果有，就通过CPU将数据拷贝至用户缓冲区。如果没有，通过发起文件读取请求，通过DMA将磁盘中的数据拷贝至内核缓冲区中，再逐级向上。

然后，CPU从用户缓冲区将数据拷贝至Socket缓冲区，然后通过DMA拷贝通过网卡返回给用户。

DMA：Direct Memory Access，直接存储器访问，是一些计算机总线架构提供的功能，它能使数据从附加设备（如磁盘驱动器）直接发送到计算机主板的内存上。

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用户权限
  • 用户账户
    • 普通用户账户：在系统中进行普通作业
    • 超级用户账户(root)：在系统中对普通用户和整个系统进行管理
  • 组账户
    • 标准组：可以容纳多个用户
    • 私有组：只有用户自己

查看用户信息的方法：

# 查看当前登录用户的信息
w
USER     TTY      FROM             LOGIN@   IDLE   JCPU   PCPU WHAT
root     pts/0    58.48.27.99      14:43    0.00s  0.01s  0.00s w

#  查看当前用户所属的组
groups

# 查看用户的uid信息
id root(此处为USER名，也可以不带)
文件权限
  • 所有者：文件的所有者
  • 所在组：文件的所有者所在的组
  • 其他人：除文件所有者及所在组外的其他人

每个用户对于文件都有不同权限，包括读(R)、写(W)、执行(X)

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用户权限操作：

# 查看当前用户拥有文件夹的权限
ls -ld bin
dr-xr-xr-x. 2 root root 36864 Apr 16 22:42 bin

# 切换用户
su username  # 处在root目录下
su -[username]   # 处在原来的目录下

# 设置文件的访问权限
chmod [参数] 权限 文件名

# 修改文件的拥有者
chown [参数] 用户名 文件名
chown -R ceshi:ceshi demo  # 同时改变拥有者:所属组
# -R：递归修改目录文件的权限

Linux系统软件包管理器

  • 软件包

    通常指的是一个应用程序，它可以是一个GUI应用程序、命令行工具或(其他软件程序需要的)软件库

  • 软件包管理

    • 底层工具：主要用来处理安装和删除软件包文件等任务，DPKG, RPM
    • 上层工具：主要用于数据的搜索任务和依赖解析任务，APT, YUM，DNF

  • RPM (Red Hat Package Manager)，为Red hat操作系统的包管理系统

  • DPKG (Debian package)，为Debian操作系统的包管理系统

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Debian APT常用命令

  • 列出所有可更新的软件清单命令: apt update
  • 安装指定的软件命令: apt install <paqkage_name>
  • 安装多个软件包: apt install <package_1> <package_2> <package_3>
  • 更新指定的软件命令: apt update <package_name>
  • 删除软件包命令: apt remove <package_name>
  • 查找软件包命令: apt search <keyword_>
  • 列出所有已安装的包: apt list --installed

Debian 配置软件源

通常Debian系的Linux软件源配置文件：/etc/apt/sources.list，在其中添加软件源 图片.png

  • 国内镜像源：mirrors.aliyun.com
  • /dists：查看系统代号
  • /pool：查看软件分支
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