Linux概念与体系阅读笔记

【Linux概念与体系教程http://www.cnblogs.com/vamei/archive/2012/10/10/2718229.html】

1.Linux开机启动(bootstrap)

启动顺序：BIOS -> MBR -> boot loader -> kernel -> init process -> login

BIOS:Basic Input/Output System

MBR :Master Boot Record

2.Linux文件管理

（1）文件附件信息（metadata）

文件自身包含的只有数据。文件名实际上储存在目录文件。除了这些之外，还有操作系统维护的文件附加信息，比如文件类型，文件尺寸，文件权限，文件修改时间，文件读取时间等。可以用ls命令查询文件信息($ls -l file.txt)，得到如下结果：

-rw-r--r-- 1 vamei vamei 8445 Sep  8 07:33 file1.txt

 各个部分的含义如下：

• 我们先介绍最开始的-，它表示文件类型，说明file1.txt是常规文件(如果是目录文件，则应显示d)。
• 随后有九个字符，为rw-r--r--，它们用于表示文件权限。这九个字符分为三组，rw-, r--, r--，分别对应拥有者(owner)，拥有组(owner group)和所有其他人(other)。回顾Linux开机启动，登录后，我会有一个用户身份和一个组身份, 相当于我的名片。第一组表示，如果我的名片上的用户身份证明我是该文件的拥有者，那么我就可以对该文件有读取(r)，写入(w)该文件的权限，但不拥有执行(-，如果拥有执行权限，则为x)该文件的权限。第二组表示，如果我的名片上的组身份证明我所在的组是该文件的拥有组的一员，那么我有从该文件读入的权限。第三组表示，如果我的名片显示我既不是拥有者，也不是拥有组的一员，那么我只有读入的权限。当我想要进行一个读取操作时，Linux会先看我是否是拥有者下文会进一步解释拥有者和拥有组。
• 后面的1是硬连接(hard link)数目(link count)。
• 之后的vamei表示用户vamei是文件的拥有者(owner)，文件的拥有者有权更改文件权限(比如改为rwxrwxrwx)。而后面的vamei文件的拥有组是组vamei。文件的拥有者和拥有组在文件创建时就附加在文件上(相当于给文件上锁，只有有合适名片的用户才能打开操作)。要注意，Linux有一个超级用户root (也叫做根用户)，该用户拥有所有的文件。
• 随后的8445表示文件大小，单位为字节(byte)。
• Sep 8 07:33表示文件的上一次写入的时间(modification time)。实际上在文件附加信息中还包含有文件的上一次读取时间(access time)，没有显示出来。

（2）umask

当我们创建文件的时候，比如使用touch，它会尝试将新建文件创建为权限666，也就是rw-rw-rw-。但操作系统要参照权限mask来看是否真正将文件创建为666。权限mask表示操作系统不允许设置的权限位，比如说037(----wxrwx)的权限mask意味着不允许设置设置group的wx位和other的rwx位。如果是这个权限mask的话，最终的文件权限是rw-r----- (group的w位和other的rw位被mask)。我们可以通过 $umask 022 的方式改变权限mask。

3.Linux架构

4.Linux命令行与命令

（1）shell命令可以分为如下几类

• 可执行文件(executable file)
• shell内建函数(built-in function)
• 别名(alias)。

（2）当一个命令运行时，你中途想要停止它时，可以用Ctrl + c。如果你只是想暂时停止，使用Ctrl + z。具体机制与信号(signal)有关。

（3）在执行命令之前加上sudo， 以便临时以root的身份执行某条命令

5.Linux文件管理相关命令

（1）文件权限相关

• $chmod 755 a.txt，change mode 改变a.txt的读、写以及执行权限
• $sudo chown root a.txt，change owner 改变文件的拥有者为root用户。这个命令需要有超级用户权限才能执行，所以我们在命令之前加上sudo。
• $sudo chgrp root a.txt，change group 改变文件的拥有组为root组

6.Linux文本流

（1）文本流

Linux以字节(byte)来作为数据的单位，也就是说这个序列每八位(bit)为一个单位(八位二进制对应的十进制范围为0到255)，"everything is a stream of bytes"

（2）标准输入，标准输出，标准错误与重新定向

• 重新定向标准输出：$ls > a.txt，计算机会新建一个a.txt的文件，并将命令行的标准输出指向这个文件；$ls >> a.txt，这里>>的作用也是重新定向标准输出。如果a.txt已经存在的话，ls产生的文本流会附加在a.txt的结尾，而不会像>那样每次都新建a.txt。
• 重新定向标准错误：$cd void 2> a.txt > b.txt，标准错误对应的总是2号，所以有以上写法。标准错误输出到a.txt，标准输出输出到b.txt。
• 同时重新定向标准输出和标准错误：$cd void >& a.txt，错误信息被导向a.txt。
• echo,cat

（3）管道 (pipe)

管道可以将一个命令的输出导向另一个命令的输入，从而让两个(或者更多命令)像流水线一样连续工作，不断地处理文本流。在命令行中，我们用|表示管道：$cat < a.txt | wc 

7.Linux进程基础

（1）可以使用$ps命令来查询正在运行的进程

（2）当计算机开机的时候，内核(kernel)只建立了一个init进程。Linux kernel并不提供直接建立新进程的系统调用。剩下的所有进程都是init进程通过fork机制建立的。新的进程要通过老的进程复制自身得到，这就是fork。fork()系统调用是Unix下以自身进程创建子进程的系统调用，一次调用，两次返回，在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID，在子进程中，fork返回0。在fork()的调用处，整个父进程空间会原模原样地复制到子进程中，包括指令，变量值，程序调用栈，环境变量，缓冲区，等等。

（3）父进程在得知子进程终结时，有责任对该子进程使用wait系统调用。这个wait函数能从kernel中取出子进程的退出信息，并清空该信息在kernel中所占据的空间。

8.Linux信号基础

（1）相对于其他的进程间通信方式(interprocess communication， 比如说pipe, shared memory)来说，信号所能传递的信息比较粗糙，只是一个整数。但正是由于传递的信息量少，信号也便于管理和使用。信号因此被经常地用于系统管理相关的任务，比如通知进程终结、中止或者恢复等等。

（2）常见信号

• SIGINT   当键盘按下CTRL+C从shell中发出信号，信号被传递给shell中前台运行的进程，对应该信号的默认操作是中断 (INTERRUPT) 该进程。

• SIGQUIT  当键盘按下CTRL+\从shell中发出信号，信号被传递给shell中前台运行的进程，对应该信号的默认操作是退出 (QUIT) 该进程。

• SIGTSTP  当键盘按下CTRL+Z从shell中发出信号，信号被传递给shell中前台运行的进程，对应该信号的默认操作是暂停 (STOP) 该进程。

• SIGCONT  用于通知暂停的进程继续。

• SIGALRM  起到定时器的作用，通常是程序在一定的时间之后才生成该信号。

（3）在shell中使用信号

下面我们实际应用一下信号。我们在shell中运行ping：

$ping localhost

此时我们可以通过CTRL+Z来将SIGTSTP传递给该进程。shell中显示：

[1]+  Stopped                 ping localhost

我们使用$ps来查询ping进程的PID (PID是ping进程的房间号), 在我的机器中为27397

我们可以在shell中通过$kill命令来向某个进程发出信号:

$kill -SIGCONT  27397

来传递SIGCONT信号给ping进程。

9.Linux进程关系

（1）进程组 (process group)

每个进程都会属于一个进程组(process group)，每个进程组中可以包含多个进程。进程组会有一个进程组领导进程 (process group leader)，领导进程的PID (PID见Linux进程基础)成为进程组的ID (process group ID, PGID)，以识别进程组。

（2）在shell支持工作控制(job control)的前提下，多个进程组还可以构成一个会话 (session)。会话中的每个进程组称为一个工作(job)。会话可以有一个进程组成为会话的前台工作(foreground)，而其他的进程组是后台工作(background)。每个会话可以连接一个控制终端(control terminal)。当控制终端有输入输出时，都传递给该会话的前台进程组。

会话的意义在于将多个工作囊括在一个终端，并取其中的一个工作作为前台，来直接接收该终端的输入输出以及终端信号。 其他工作在后台运行。

一个命令可以通过在末尾加上&方式让它在后台运行:

$ping localhost > log &

此时终端显示:

[1] 10141

括号中的1表示工作号，而10141为PGID

我们通过如下方式查询更加详细的信息:

$ps -o pid,pgid,ppid,sid,tty,comm

(tty表示控制终端） 

信号可以通过kill

$kill -SIGTERM -10141

或者

$kill -SIGTERM %1

的方式来发送给工作组。上面的两个命令，一个是发送给PGID(通过在PGID前面加-来表示是一个PGID而不是PID)，一个是发送给工作1(%1)，两者等价。

一个工作可以通过$fg从后台工作变为前台工作:

$cat > log &

$fg %1

当我们运行第一个命令后，由于工作在后台，我们无法对命令进行输入，直到我们将工作带入前台，才能向cat命令输入。在输入完成后，按下CTRL+D来通知shell输入结束。

10.Linux用户

（1）每个进程会维护有如下6个ID：

真实身份: real UID,       real GID

有效身份: effective UID,  effective GID

存储身份：saved UID,      saved GID

其中，真实身份是我们登录使用的身份，有效身份是当该进程真正去操作文件时所检查的身份，存储身份就是真实身份之外的另一个身份。进程的不同阶段可能需要不同的特权。比如一个进程最开始的有效身份是真实身份，但运行到中间的时候，需要以其他的用户身份读入某些配置文件，然后再进行其他的操作。为了防止其他的用户身份被滥用，我们需要在操作之前，让进程的有效身份变更回来成为真实身份。这样，进程需要在两个身份之间变化。

11.Linux从程序到进程

（1）每个进程空间按照如下方式分为不同区域:

Text区域用来储存指令(instruction)，说明每一步的操作。Global Data用于存放全局变量，栈(Stack)用于存放局部变量，堆(heap)用于存放动态变量 (dynamic variable. 程序利用malloc系统调用，直接从内存中为dynamic variable开辟空间)。Text和Global data在进程一开始的时候就确定了，并在整个进程中保持固定大小。

栈(Stack)以帧(stack frame)为单位。当程序调用函数的时候，stack会向下增长一帧。帧中存储该函数的参数和局部变量，以及该函数的返回地址(return address)。位于栈最下方的帧，和全局变量一起，构成了当前的环境(context)。典型的编程语言都只允许你使用位于stack最下方的帧 ，而不允许你调用其它的帧 (这也符合stack结构“先进后出”的特征。但也有一些语言允许你调用栈的其它部分，相当于允许你在运行inner()函数的时候调用main()中声明的局部变量，比如Pascal)。

当程序中使用malloc的时候，堆(heap)会向上增长，其增长的部分就成为malloc从内存中分配的空间。malloc开辟的空间会一直存在，直到我们用free系统调用来释放，或者进程结束。一个经典的错误是内存泄漏(memory leakage), 就是指我们没有释放不再使用的堆空间，导致堆不断增长，而内存可用空间不断减少。栈和堆的大小则会随着进程的运行增大或者变小。当栈和堆增长到两者相遇时候，也就是内存空间图中的蓝色区域(unused area)完全消失的时候，再无可用内存。进程会出现栈溢出(stack overflow)的错误，导致进程终止。

11.Linux多线程与同步

（1）创建一个新的线程时，我们为这个线程建一个新的栈。每个栈对应一个线程。当某个栈执行到全部弹出时，对应线程完成任务，并收工。所以，多线程的进程在内存中有多个栈。每个线程可调用自己栈最下方的帧中的参数和变量，并与其它线程共享内存中的Text，heap和global data区域。

（2）多线程同步

• 互斥锁
• 条件变量
• 读写锁

12.Linux进程间通信

进程间通信方式可以分为两种

（1）管道(PIPE)机制

管道是由内核管理的一个缓冲区(buffer)。最开始的时候，上面的两个箭头都连接在同一个进程Process 1上(连接在Process 1上的两个箭头)。当fork复制进程的时候，会将这两个连接也复制到新的进程(Process 2)。随后，每个进程关闭自己不需要的一个连接 (两个黑色的箭头被关闭; Process 1关闭从PIPE来的输入连接，Process 2关闭输出到PIPE的连接)，这样，剩下的红色连接就构成了如上图的PIPE。

由于基于fork机制，所以管道只能用于父进程和子进程之间，或者拥有相同祖先的两个子进程之间 (有亲缘关系的进程之间)。为了解决这一问题，Linux提供了FIFO方式连接进程。FIFO又叫做命名管道(named PIPE)。当一个进程以读(r)的方式打开该文件，而另一个进程以写(w)的方式打开该文件，那么内核就会在这两个进程之间建立管道，所以FIFO实际上也由内核管理，不与硬盘打交道。

（2）传统IPC (interprocess communication)。我们主要是指消息队列(message queue)，信号量(semaphore)，共享内存(shared memory)

（3）socket也可以用于计算机内部进程间的通信。