走進(jìn)Linux 操作系統(tǒng)
| 堅(jiān)力量是軟件工程師，因此多以實(shí)用性和效率為出發(fā)點(diǎn)，很多地方還考慮了工業(yè)規(guī)范和兼容性等因素，因此不同于教學(xué)性操作系統(tǒng)追求理論上的*********性，linux系統(tǒng)內(nèi)核最注重的問題是實(shí)用和效率?！ ∠旅嫖覀兒?jiǎn)要?dú)w納一下linux內(nèi)核的特色?！ 〉谝唬琹inux內(nèi)核被設(shè)計(jì)成單巨內(nèi)核（monolithic？）結(jié)構(gòu)（相對(duì)微內(nèi)核而言,微內(nèi)核是一種功能更貼近硬件的核心軟件，它一般僅僅包括初等內(nèi)存管理、同步原語(yǔ)、程間通訊機(jī)制、i/o操作和中斷管理，這樣做有利于擴(kuò)展性和移植性。但是微內(nèi)核與諸如文件管理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、虛擬內(nèi)存管理、進(jìn)程管理等其它上層模塊之間需要有較高的通訊開銷，所以目前多集中在理論教學(xué)領(lǐng)域，對(duì)工業(yè)應(yīng)用效率難以保證。），因此效率高，緊湊性強(qiáng)?！ 〉诙?， 2.6版本前l(fā)inux內(nèi)核是單線程結(jié)構(gòu)——所謂但線程結(jié)構(gòu)是說(shuō)同一時(shí)間只有一個(gè)執(zhí)行線程（內(nèi)核中的執(zhí)行程序）允許在內(nèi)核中運(yùn)行，不會(huì)被調(diào)度程序打斷運(yùn)行其它任務(wù)，這種內(nèi)核被成為非搶占的，它的好處在于內(nèi)核中沒有并發(fā)任務(wù)（單處理器而言），因此避免了許多復(fù)雜的同步問題，但其不利影響是非搶占特性延遲了系統(tǒng)響應(yīng)速度，新任務(wù)必須等待當(dāng)前任務(wù)在內(nèi)核執(zhí)行退出才能獲得運(yùn)行機(jī)會(huì)。工業(yè)控制領(lǐng)域需要高響應(yīng)速度，因此2.6版本后由于robert love等人的貢獻(xiàn)，將搶占技術(shù)引入了linux內(nèi)核，使得其變?yōu)閮?nèi)核搶占系統(tǒng)，當(dāng)然付出的代價(jià)是同步操作進(jìn)一步復(fù)雜化了。 第三，為了保證能方便地支持新設(shè)備、新功能，又不會(huì)無(wú)限擴(kuò)大內(nèi)核規(guī)模，linux系統(tǒng)對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)或新文件系統(tǒng)等采用了模塊化方式，用戶在需要時(shí)可以現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)加載，使用完畢可以動(dòng)態(tài)卸載。同時(shí)對(duì)內(nèi)核，用戶也可以定制，選擇適合自己的功能，將不需要的部分剔除出內(nèi)核。這兩種技術(shù)都保證了內(nèi)核的緊湊性和擴(kuò)展性?！ 〉谒模琹inux內(nèi)核純粹是一種被動(dòng)調(diào)用服務(wù)對(duì)象，所謂被動(dòng)是因?yàn)樗鼮橛脩舴?wù)的唯一方式是用戶通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)請(qǐng)求在內(nèi)核空間運(yùn)行某個(gè)函數(shù)。內(nèi)核本身是一種函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的集合，不存在運(yùn)行的內(nèi)核進(jìn)程為用戶服務(wù)（雖然linux的確存在一種被稱為內(nèi)核線程的進(jìn)程，但它并不是用來(lái)服務(wù)于用戶的，僅僅作為系統(tǒng)自身的服務(wù)目的）?！ 〉谖澹?linux內(nèi)核的采用虛擬內(nèi)存技術(shù)使得內(nèi)存空間虛擬擴(kuò)展到了4gb之多，其中0-3g屬于用戶空間，稱為用戶段，3g-4g屬于用戶空間，稱為內(nèi)核段。這樣使得用戶編寫程序可以使用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際內(nèi)存的存儲(chǔ)空間。 第六， linux的文件系統(tǒng)******特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了一種抽象文件模型——vfs（虛擬文件系統(tǒng)），該文件系統(tǒng)屬于unix風(fēng)格。使用虛擬文件系統(tǒng)屏蔽了各種不同文件系統(tǒng)的內(nèi)在差別，使得用戶可以使用同樣的方式訪問各種不同格式的文件系統(tǒng)，可以毫無(wú)區(qū)別地在不同介質(zhì)不同格式的文件系統(tǒng)之間使用vfs提供的統(tǒng)一接口交換數(shù)據(jù)。這種抽象為linux帶來(lái)了無(wú)限活力。 第七， linux提供了一套很有效的延遲執(zhí)行機(jī)制——下半部分，軟中斷，tasklet和2.6新引入的工作列隊(duì)等，這些技術(shù)保證了系統(tǒng)可以針對(duì)任務(wù)的輕重緩急，更細(xì)粒度的選擇執(zhí)行時(shí)機(jī)。保證了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)盡量在安全時(shí)間（不關(guān)中斷）?！ inux除了以上提到的特色外，還有許多其它突出特點(diǎn)，我們將在以后各期的介紹中有序地介紹。如果對(duì)上述特色有疑問的話，請(qǐng)別著急，后面的學(xué)習(xí)將為你解答?！ inux 操作系統(tǒng)內(nèi)核結(jié)構(gòu) linux內(nèi)核雖然實(shí)現(xiàn)和unix系統(tǒng)有很大不同，但是其結(jié)構(gòu)還基本保持和unix雷同，其中功能也和我們前面提到的操作系統(tǒng)內(nèi)核要求大體一致。 請(qǐng)見下圖 下面我們簡(jiǎn)要說(shuō)明一下個(gè)模塊之間的聯(lián)系。 用戶空間的任何程序如果需要使用內(nèi)核提供的服務(wù)，都必須經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)用，因此系統(tǒng)調(diào)用層和內(nèi)核中大多數(shù)模塊都留有接口，它們或是用來(lái)控制系統(tǒng)服務(wù)屬性（如sys_fnctl設(shè)置文件操作屬性；sys_nice設(shè)置進(jìn)程時(shí)間片），或是從內(nèi)核提取數(shù)據(jù)（如sys_time獲得由時(shí)間中斷維護(hù)的系統(tǒng)計(jì)時(shí)），或請(qǐng)求內(nèi)核分配資源（brk擴(kuò)展進(jìn)程堆內(nèi)存）?！ ∥募到y(tǒng)包含vfs和各種實(shí)際文件系統(tǒng)。vfs為實(shí)際文件系統(tǒng)抽象了統(tǒng)一接口，而實(shí)際文件系統(tǒng)提供自身具體實(shí)例操作方法。另外在linux中和unix一樣設(shè)備被巧妙的歸屬為特殊文件，受文件系統(tǒng)抽象和管理，因此其操作方式和文件系統(tǒng)一致。文件系統(tǒng)將對(duì)設(shè)備的操作遞交給實(shí)際的設(shè)備驅(qū)動(dòng)處理?！ inux中設(shè)備管理將設(shè)備被區(qū)分為塊設(shè)備——可以隨機(jī)訪問，如磁盤——和字符設(shè)備——只能順序訪問，如鍵盤。字符設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，文件系統(tǒng)可將請(qǐng)求直接提交給字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)處理，但是對(duì)于塊設(shè)備，由于頻繁的隨機(jī)訪問需要反復(fù)進(jìn)行磁盤尋址操作，這樣會(huì)對(duì)系統(tǒng)載核的帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)，因此內(nèi)核對(duì)塊設(shè)備的請(qǐng)求必須加以整合，比如對(duì)請(qǐng)求排隊(duì)、合并、然后有選擇地派發(fā)給物理設(shè)備；另外讀取設(shè)備時(shí)還需要在內(nèi)存中進(jìn)行緩沖磁盤塊。因此在請(qǐng)求被提交給塊設(shè)備前必須經(jīng)過(guò)i/o層處理進(jìn)行預(yù)處理，在磁盤塊被讀取后必須由i/o層進(jìn)行塊緩沖處理?！ ≈袛喙芾硐到y(tǒng)負(fù)責(zé)為設(shè)備服務(wù)，它相比輪詢等方式節(jié)約了cpu周期，另外時(shí)鐘中斷還要負(fù)責(zé)更新系統(tǒng)時(shí)間，觸發(fā)進(jìn)程調(diào)度?！ ?nèi)存是系統(tǒng)中的核心資源之一，是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳遞的必被條件，因此管理系統(tǒng)不但系統(tǒng)調(diào)用需要使用，而且?guī)缀跸到y(tǒng)中所有模塊都多多少少地需要使用內(nèi)存管理系統(tǒng)的函數(shù)。文件系統(tǒng)、i/o系統(tǒng)用來(lái)緩沖數(shù)據(jù)都需要分配內(nèi)存，進(jìn)程管理中的進(jìn)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，地址影射都需要內(nèi)存，堆的增長(zhǎng)也需要?jiǎng)討B(tài)請(qǐng)求內(nèi)存；還有就是進(jìn)程通訊中的一個(gè)有效方法就是利用共享內(nèi)存來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 進(jìn)程管理除了和內(nèi)存管理和進(jìn)程通訊有關(guān)外，也和文件系統(tǒng)有重要關(guān)聯(lián)，因?yàn)檫M(jìn)程資源中文件毫無(wú)疑問屬于最重要的部分之一，因此進(jìn)程管理系統(tǒng)也必須和文件系統(tǒng)交互。 其中個(gè)個(gè)模塊不是孤立的，而是聯(lián)系萬(wàn)千，對(duì)于其中奧秘，希望讀者仔細(xì)咀嚼。
linux 操作系統(tǒng)的文件構(gòu)成 內(nèi)核雖說(shuō)是linux操作系統(tǒng)的精華所在，是其它程序賴以運(yùn)行的基礎(chǔ)，但是如果一個(gè)實(shí)用的操作系統(tǒng)僅僅只有內(nèi)核，而在其上沒有豐富、強(qiáng)大的系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序供用戶使用，就好比大廈建好了，也通了電，但卻沒有電梯、電話和辦公設(shè)備，用戶仍然無(wú)法入住使用。因此linux操作系統(tǒng)的發(fā)行版除了帶有內(nèi)核以外，還帶有大量的系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序，比如最新紅帽子系統(tǒng)的發(fā)行版本句需要2-3張光盤，其中絕大部分是應(yīng)用程序。 要想深入學(xué)習(xí)linux內(nèi)核，首先需要能熟練使用linux操作系統(tǒng)，了解整個(gè)系統(tǒng)文件構(gòu)成——正所謂，刨丁解牛，始見無(wú)非全牛者——由外至內(nèi)的學(xué)習(xí)linux，再?gòu)膬?nèi)向外推敲；從感性深入理性，再由理性返回感性，才會(huì)獲得最深刻的認(rèn)識(shí)。內(nèi)核的眾多特點(diǎn)最終還是要反映到用戶應(yīng)用上的，所以先熟悉應(yīng)用無(wú)疑會(huì)對(duì)內(nèi)核學(xué)習(xí)有很大裨益。而且學(xué)習(xí)內(nèi)核結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要目的就是推動(dòng)我們更有效的使用linux操作系統(tǒng)，無(wú)論是從系統(tǒng)管理角度來(lái)說(shuō)或是從程序開發(fā)角度上說(shuō)，掌握內(nèi)核級(jí)別的系統(tǒng)調(diào)用、資源分配、中斷控制或進(jìn)程調(diào)度等技術(shù)都是不凡的價(jià)值，可以幫助你有效開發(fā)和駕馭系統(tǒng)。 這節(jié)我們先在這里簡(jiǎn)要介紹一下linux系統(tǒng)的文件構(gòu)成，將linux操作系統(tǒng)的外在全貌展現(xiàn)給大家。我們?cè)谙到y(tǒng)啟動(dòng)后，進(jìn)入系統(tǒng)所能觀察到的就是一系列目錄（使用ls或dir）,認(rèn)識(shí)這些目錄構(gòu)成是學(xué)習(xí)使用linux系統(tǒng)的第一步，下面我們就羅列出主要目錄并簡(jiǎn)要描述各自內(nèi)容。linux系統(tǒng)根目錄/下包含包含：bin：該目錄存放最常用的基本命令，比如拷貝命令cp、編輯命令vi、刪除命令rm等。boot:該目錄包含了系統(tǒng)啟動(dòng)需要的配置文件、內(nèi)核（vmliuxz）和系統(tǒng)鏡像(initrd….img)等。dev：該目錄下存放的是linux中使用或未使用的外部設(shè)備文件（fd代表軟盤，hd代表硬盤等），使用這些設(shè)備文件可以用操作文件的方式操作設(shè)備。 etc：該目錄下包含了所有系統(tǒng)服務(wù)和系統(tǒng)管理使用的配置文件；比如系統(tǒng)日志服務(wù)的配置文件syslog.conf，系統(tǒng)用戶密碼文件passwd等 home:該目錄下包含了除系統(tǒng)管理員外的所有用戶的主目錄，用戶主目錄一般以用戶登陸帳號(hào)命名。 lib:該目錄下包含了系統(tǒng)使用的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)（＊.so）和內(nèi)核模塊(在modules下)。 host+found:該目錄包含了磁盤掃描檢測(cè)到的文件碎片，如果你非法關(guān)機(jī)，那么下次啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行磁盤掃描，將損壞的碎片存到該目錄下。 mnt:該目錄下包含用戶動(dòng)態(tài)掛載的文件系統(tǒng)。如果要使用光盤，u盤都一般應(yīng)該將它們安裝到該目錄下的特定位置。 proc：該目錄屬于內(nèi)存影射的一個(gè)虛擬目錄，其中包含了許多系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，比如進(jìn)程序數(shù)，中斷情況，cpu信息等等，它其中的信息都是動(dòng)態(tài)生成的，不在磁盤中存儲(chǔ)。 root:該目錄是系統(tǒng)管理員（root用戶）的主目錄。 sbin:該目錄下包含系統(tǒng)管理員使用的系統(tǒng)管理命令,比如防火墻設(shè)置命令iptable，系統(tǒng)停機(jī)命令halt等 tmp：該目錄下包含一些臨時(shí)文件。 usr：該目錄下一般來(lái)說(shuō)包含系統(tǒng)發(fā)布時(shí)自帶的程序（但具體放什么東西，并沒有明確的要求），其中最值得說(shuō)明的有三個(gè)子目錄 /usr/src ：linux內(nèi)核源代碼就存在這個(gè)目錄 /usr/man ：linux中命令的幫助文件 /usr/local ： 新安裝的應(yīng)用軟件一般默認(rèn)在該目錄下 var：該目錄中存放著在不斷擴(kuò)充著的信息，比如日志文件。 以上就是linux文件系統(tǒng)的原始構(gòu)成，熟悉它們是應(yīng)用linux操作系統(tǒng)的前提，希望大家親自打開各目錄看看。搭建linux試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)例 進(jìn)入后續(xù)章節(jié)討論的內(nèi)核前，我們先與讀者一同從頭構(gòu)架一個(gè)試驗(yàn)操作系統(tǒng)。這樣既有助大家熟悉linux操作系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，也會(huì)在構(gòu)建過(guò)程中學(xué)習(xí)介紹一些linux命令和使用技巧，加深理解linux操作系統(tǒng)的運(yùn)作方式?！ ?shí)驗(yàn)系統(tǒng)將在保證實(shí)用價(jià)值的基礎(chǔ)上，盡量小巧。希望大家通過(guò)親手構(gòu)建系統(tǒng)的過(guò)程中，能消除對(duì)linux的恐懼感，更希望讀者自己能使用裁減的系統(tǒng)，給自己帶來(lái)成就感和學(xué)習(xí)熱情。必備的基礎(chǔ)知識(shí) 對(duì)于第一次接觸linux的朋友，僅僅看下面的內(nèi)容顯然不能指望學(xué)會(huì)linux的操作方法和系統(tǒng)行為，建議你去找本系統(tǒng)一點(diǎn)的linux系統(tǒng)教程慢慢咀嚼吧。對(duì)于像系統(tǒng)管理員這種大牛，跳過(guò)下面內(nèi)容吧，再高的就去看看新浪體育新聞什么的，別在這瞎轉(zhuǎn)了:)?！ 〈罱ㄏ到y(tǒng)過(guò)程中將離不開敲擊各種各樣的命令，離不開執(zhí)行大大小小的shell腳本。而最整個(gè)過(guò)程中重要的是理解系統(tǒng)的運(yùn)行思路，一切活動(dòng)的指導(dǎo)思想都要圍繞系統(tǒng)運(yùn) |
