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。

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