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2025-03-03
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Linux基础知识

# Linux基础知识

# 1. Linux 简介

Linux 内核最初由芬兰程序员林纳斯·托瓦兹（Linus Torvalds）在赫尔辛基大学求学期间，出于个人兴趣开发。它是一款免费开源的类 Unix 操作系统，遵循 POSIX 标准，具备多用户、多任务、多线程以及多 CPU 支持的特性。

Linux 的发行版说简单点就是将 Linux 内核与应用软件做一个打包。目前市面上较知名的发行版有：Ubuntu、RedHat、CentOS、Debian、Fedora、SuSE、OpenSUSE、Arch Linux、SolusOS 等。

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# 2. Linux 内核

# 2.1 Linux 内核 vs. 操作系统

很多人听到“Linux”时，认为它是一个完整的操作系统，但实际上 Linux 只是操作系统的内核（Kernel），并不是一个完整的操作系统（OS）。

那么，什么是操作系统？它是由多个部分组成的，包括：

  1. 内核（Kernel）：直接控制硬件，管理资源（CPU、内存、磁盘、网络等）。
  2. Shell（命令行解释器）：用户和内核之间的桥梁，用户输入命令，Shell 解析后交给内核执行。
  3. 系统库（Libraries）：提供应用程序调用系统功能的接口，如 C 标准库（glibc）。
  4. 系统工具（Utilities）：文件管理、用户管理、网络管理等基础软件（如 ls, ps, top, vi）。
  5. 应用程序（Applications）：用户直接使用的软件，如 Web 浏览器、数据库、编译器等。

简而言之，Linux 只是一个“引擎”，要让它跑起来，还需要油（Shell）、轮子（文件系统）、方向盘（用户交互工具）等其他组件才能形成完整的操作系统（如 Ubuntu、CentOS、Debian）。

# 2.2 内核的职责：管理计算机的核心资源

Linux 内核的主要任务是 管理计算机硬件资源，它的职责包括：

  1. 进程管理（Process Management）
    • 负责创建、调度、终止进程，决定哪个程序使用 CPU。
    • 进程间通信（IPC）：管道（pipe）、信号（signal）、共享内存（shm）、消息队列（message queue）。
    • 进程状态：运行（Running）、就绪（Ready）、阻塞（Blocked）。
    • 进程调度：采用 CFS（完全公平调度器），保证多任务并发执行。
  2. 内存管理（Memory Management）
    • 负责分配、回收物理内存，使用 虚拟内存（Virtual Memory） 机制管理有限的 RAM 资源。
    • 提供 分页（Paging）、分段（Segmentation）、交换（Swap） 等机制，提高内存利用率。
  3. 文件系统（File System）
    • 通过 虚拟文件系统（VFS, Virtual File System） 层支持多种文件系统，如 ext4、XFS、Btrfs、NTFS。
    • 采用 一切皆文件（Everything is a File）原则，将设备、进程、网络接口等都视为文件。
  4. 设备驱动（Device Drivers）
    • 负责管理硬件设备，如磁盘、网卡、USB 设备等，用户通过 /dev/ 访问设备文件。
    • 采用 可加载内核模块（LKM, Loadable Kernel Module） 机制，允许动态添加驱动程序。
  5. 网络管理（Networking）
    • 内核内置 TCP/IP 协议栈，支持 IPv4、IPv6、VLAN、VPN。
    • 通过 Netfilter（iptables）和 eBPF 进行网络流量控制和安全过滤。

# 2.3 Shell：用户和内核的桥梁

Linux 内核本身不会直接和用户交互，用户必须通过 Shell（命令行解释器） 发送命令。Shell 是一个特殊的程序，运行在内核之上，它的作用是：

  1. 解析命令（Command Parsing），如 ls -l，然后调用系统 API 让内核执行。
  2. 管理进程（Process Control），如前后台运行 &、任务控制 jobs、kill。
  3. 变量与脚本（Scripting），支持 bash, zsh, sh，可以编写 Shell 脚本自动化任务。

常见的 Shell：

  • Bash（默认 Shell）：大多数 Linux 发行版的默认 Shell，功能丰富。
  • Zsh：比 Bash 更强大，支持自动补全、插件系统。
  • Fish：易用、现代化，默认支持语法高亮。

例子：当你输入 ls -l 时，Shell 解析命令，调用 syscall 请求内核获取目录内容，最终返回结果给用户。

# 2.4 系统调用：应用程序如何与内核通信？

应用程序无法直接访问内核，而是通过 系统调用（System Call, syscall） 请求内核提供服务。

常见的系统调用：

  • read() / write()：读取和写入文件或设备。
  • fork()：创建新进程。
  • execve()：执行新程序。
  • open() / close()：打开和关闭文件。

示例：C 语言调用 write() 系统调用

#include <unistd.h>
int main() {
    write(1, "Hello, Linux Kernel!\n", 21); // 调用 syscall 写入终端
    return 0;
}
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执行 strace ./a.out 可以看到 write(1, "Hello, Linux Kernel!\n", 21) 触发了系统调用。

# 2.5 Linux 内核的运行模式：用户态 vs. 内核态

为了保证安全性，Linux 采用两种 CPU 运行模式：

  1. 用户态（User Mode）：普通应用程序运行的模式，不能直接访问硬件。
  2. 内核态（Kernel Mode）：内核和驱动运行的模式，能直接访问硬件。

当应用程序调用 syscall 时，CPU 从 用户态切换到内核态 处理请求，执行完后再返回用户态。

示例：执行 ls 命令的过程

  1. 用户输入 ls，Shell 解析命令并调用 execve() 运行 ls。
  2. ls 通过 open() 读取当前目录，并调用 getdents() 获取文件列表。
  3. ls 通过 write() 将结果输出到终端。
  4. 执行完毕，Shell 返回提示符，等待用户输入下一个命令。

# 3. Linux 目录结构详解

Linux 的目录结构采用 层次化的树状结构，所有文件和目录都从根目录 / 开始，并按功能和用途进行组织。以下是 Linux 主要的目录及其用途：

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目录 作用
/ 根目录，所有文件和目录的起点，只有 root 用户具有完全控制权限，普通用户只能访问部分内容。
/bin (Binary，用户二进制可执行文件) 存放基本的用户二进制命令，如 ls、cp、mv、rm、cat、echo、pwd 等，这些命令是所有用户都能使用的基本工具，即使系统进入单用户模式（维护模式）也可用。
/sbin (Superuser Binary，超级用户二进制可执行文件) 仅 root 用户使用的 系统管理命令，如 shutdown、fdisk、mkfs、iptables、ifconfig 等，普通用户通常不能执行这些命令，除非使用 sudo。
/etc (Configuration，系统配置文件) 存放 系统的全局配置文件，例如： - /etc/passwd：用户信息 - /etc/shadow：加密存储的用户密码 - /etc/group：用户组信息 - /etc/fstab：自动挂载的文件系统信息 - /etc/hosts：主机名解析配置 所有程序的默认配置文件 通常也存放在 /etc 目录下。
/home 每个普通用户都有一个自己的主目录，例如： - /home/alice/（Alice 用户的主目录） - /home/bob/（Bob 用户的主目录） 该目录存放用户的个人文件、配置文件等。
/root 超级用户 root 的主目录，类似于普通用户的 /home/username，但仅 root 可访问，普通用户无法进入。
/usr (User System Resources，用户软件资源) 存放 系统应用程序和库文件，类似于 Windows 的 C:\Program Files\，其子目录包括： - /usr/bin：普通用户可执行的程序（比 /bin 更丰富） - /usr/sbin：系统管理工具（比 /sbin 更完整） - /usr/lib：库文件（比 /lib 更庞大） - /usr/local：本地安装的软件（不受 Linux 发行版的包管理控制）
/var (Variable，存放动态数据) 存放 不断变化的文件（日志、缓存、临时数据等），主要子目录： - /var/log/：系统日志文件（如 /var/log/syslog, /var/log/auth.log） - /var/spool/：任务队列（如邮件队列、打印任务） - /var/tmp/：长期有效的临时文件（比 /tmp 保留时间长）
/tmp 存放 临时文件，如临时下载文件、临时缓存数据等，重启后 /tmp 中的内容会被自动删除。
/dev 存放 设备文件（Linux 中一切皆文件），常见设备包括： - /dev/sda：磁盘 - /dev/null：丢弃数据的黑洞 - /dev/tty：终端设备 - /dev/random：随机数设备
/mnt 用于 临时挂载文件系统，如挂载 U 盘、光盘等。
/media 现代 Linux 发行版用来 自动挂载可移动设备（U 盘、DVD），例如： - /media/usb：U 盘 - /media/cdrom：光盘
/opt (Optional，第三方软件) 存放 第三方软件（不受系统包管理控制的软件），例如： - /opt/google/chrome/（Google Chrome 安装目录） - /opt/zoom/（Zoom 软件）
/lib、/lib64 存放 系统库文件，供可执行程序调用。 - /lib：用于 32 位系统库。 - /lib64：用于 64 位系统库。
/proc (Process，进程信息) 虚拟文件系统，存放 内核和进程信息，例如： - /proc/cpuinfo：CPU 信息 - /proc/meminfo：内存信息 - /proc/1234/：进程 ID 1234 的信息
/sys (System，内核设备信息) 另一个 虚拟文件系统，存放系统硬件信息，例如： - /sys/class/net/eth0/（网络接口信息） - /sys/block/sda/（磁盘信息）
/run 存放 运行时数据，如进程 ID（PID）、锁文件等，示例： - /run/systemd/（systemd 运行时信息） - /run/sshd.pid（SSH 服务的进程 ID）

# 4. 常见问题

# 4.1 文件夹区别

  1. /usr 和 /bin 有什么区别？
    • /bin（Binary）：存放 基本系统命令，如 ls、cp、mv、cat，即使系统运行在单用户模式下也必须存在。
    • /usr/bin：存放 非基本用户命令，如 vim、gcc、wget，通常用于普通用户运行的程序。
  2. /var/tmp 和 /tmp 有什么区别？
    • /tmp：存放 临时文件，系统重启后会自动清除，适合存放短期临时数据。
    • /var/tmp：也是临时存储目录，但 系统重启后文件仍然存在，适合存放需要长时间存活的临时数据。
  3. 为什么 /proc 和 /sys 不是普通目录？
    • /proc 和 /sys 属于 虚拟文件系统，它们 不存储实际数据，而是动态提供 系统和进程信息。
    • /proc：提供 进程和系统信息，如 /proc/cpuinfo（CPU 信息）、/proc/meminfo（内存使用情况）。
    • /sys：用于 设备管理，提供 硬件信息，如 /sys/class/net/（网络设备）、/sys/block/（存储设备）。

# 4.2 CLI（命令行界面）和 GUI（图形界面）

  1. CLI（Command Line Interface）命令行界面
    • 通过 键盘输入命令 进行操作，如 ls 列出文件、cd 切换目录。
    • 优点：占用资源少、操作精确、适合服务器环境和自动化任务。
    • 缺点：对新手不友好，需要记住命令。
  2. GUI（Graphical User Interface）图形界面
    • 通过 鼠标+图形窗口 进行操作，如 GNOME、KDE。
    • 优点：更直观，适合普通用户。
    • 缺点：占用系统资源较多，某些操作不如 CLI 灵活。

CLI 适合服务器、编程和运维；GUI 适合普通用户和桌面环境。

# 4.3 DOS 和 Bash 的区别

# 1. 什么是 DOS？

DOS（Disk Operating System） 是 早期的命令行操作系统，最著名的是 MS-DOS（微软 DOS），它是 1980 年代和 1990 年代初 PC 计算机的主要操作系统。

DOS 示例：

C:\> dir
C:\> cd Documents
C:\> copy file1.txt file2.txt
C:\> del file2.txt
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由于 DOS 的 功能有限，现代 Windows 已经不再使用纯 DOS，而是采用 Windows 命令提示符（cmd.exe） 作为兼容模式，或者使用更强大的 PowerShell。

# 2. 什么是 Bash？

Bash（Bourne Again Shell） 是 Linux 和 macOS 常见的 命令行解释器（Shell），用来执行命令、运行脚本，并提供丰富的 编程能力。

Bash 示例：

$ ls
$ cd /home/user/Documents
$ cp file1.txt file2.txt
$ rm file2.txt
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结论：

  • 如果你是 Windows 用户，可能偶尔会用 DOS 进行简单文件操作。
  • 如果你是 Linux 服务器管理员、开发者，你每天都会使用 Bash 进行 管理、开发、自动化任务。
  • 如果你想学编程或自动化，Bash 是必学的工具之一！

# 4.4 Unix 和 Linux

  1. Unix
    • 1969 年 AT&T 贝尔实验室开发，最早的多用户、多任务系统。
    • 专有系统，如 macOS、AIX、Solaris，通常需要购买许可证。
  2. Linux
    • 1991 年 Linus Torvalds 开发的 开源 类 Unix 系统，遵循 POSIX 标准。
    • 完全免费，有多个发行版（Ubuntu、CentOS、Debian）。

Linux 是 Unix 的“克隆”，继承了 Unix 的设计思想，但开源且自由分发。

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上次更新: 2025/04/01, 01:48:12

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