linux 架构

最内层是我们的硬件，最外层是我们常用的各种应用，比如说使用firefox浏览器，打开evolution查看邮件，运行一个计算流体模型等等。硬件是我们的物质基础，而应用是我们所要奋斗的目标，但在两者之间，还要经过一番周折。

还记得我们在Linux启动的时候。首先会启动内核 (kernel)，内核是一段计算机程序，这个程序直接管理管理硬件，包括CPU、内存空间、硬盘接口、网络接口等等。所有的计算机操作都要通过内核传递给硬件。

为了我们方便调用内核，我们将内核的功能总结成为系统调用(system call)。系统调用看起来就像是的C语言函数，你也可以在程序中直接调用。Linux系统有两百多个这样的系统调用。系统调用给了上层程序一个清晰的接 口，隐藏了内核的复杂结构。一个操作系统上的功能可以看作是系统调用的组合的效果，而且一个操作系统不可能作出超越系统调用的动作。可以说一个系统调用函 数就像是汉字的一个笔画，任何一个汉字都要由基本的笔画（点、横、撇等等）构成，而且我们不能臆造出笔画。在命令行中输入$man 2 syscalls可以查看所有的系统调用。你也可以通过$man 2 read来查看系统调用read()的说明。在这两个命令中的2都表示我们要在2类(系统调用类)中查询 (具体各个类是什么可以通过$man man看到)。

由于系统调用非常基础，所以有时使用起来很麻烦。比如说一个简单的给变量分配内存空间的操作，就需要动用多个系统调用。Linux定义一些库函数(library routine)来将系统调用组合成某些常用的功能，以方便我们编程。比如上面的分配内存的操作，看以定义成为一个库函数(像malloc()这样的函 数)。再比如说，在读取文件的时候，系统调用要求我们设置好所需要的缓冲。我们这个时候可以使用Standard IO库中的读取函数，而这个读取函数既负责设置缓冲，又负责使用读取的系统调用函数。使用库函数对于机器来说并没有效率上的优势，但可以把程序员从细节中 解救出来。库函数就像是汉字的偏旁部首，它由笔画组成，但使用偏旁部首更容易组成字，比如"铁"。当然，你也完全可以不使用库函数，而直接调用系统函数，就像“人”字一样，不用偏旁部首。

(实际上，一个操作系统要称得上是UNIX系统，必须要拥有一些库函数，比如ISO C标准库，POSIX标准等。)

至于shell，可以看作一种特殊的应用。实际上我们之前所说的命令行，就是shell。shell是一个命令解释器(interpreter)，当我们输入“ls -l”的时候，它将此字符串解释为1) 在默认路径找到该文件(/bin/ls)，2) 执行该文件，并附带参数"-l"。我们之前用>表示重新定向，用|表示管道，也是通过shell进行理解&或者|的含义，再通过系统调用指挥kernel建立具体的重定向或者管道机制。在没有图形界面之前，shell充当了用户的界面，当用户要运行某些应用的时候，要通过shell输入命令，以建立运行程序。shell可以执行符合shell语法的文本，这样的文本叫做shell脚本(script)。我们可以在图中看到，shell下通系统调用，上通各种应用，同时还有许多自身的便利可以使用，这些条件让shell脚本可以实现非常强大的功能。UNIX的一条哲学是让每个程序尽量独立的做好一个小的功能。而shell充当了这些小功能之间的"胶水"，让不同程序能够以一个清晰的接口(文本流)协同工作，从而增强各个程序的功能。(这也是我们鼓励多用shell，少用图形化界面的原因之一。)

(shell也有很多种，最常见的是bash, 另外还有sh, csh, tcsh, ksh。它们出现的年代不同，所支持的功能也有差异。)

一个使用bash shell的终端

一个shell对应一个终端 (terminal)。曾经来说，终端是一个硬件设备，用来输入并显示输出。如今，由于图形化界面的普及，终端往往就像上图一样，是一个图形化的窗口。你 可以通过这个窗口输入或者输出文本。这个文本直接传递给shell进行分析解释，然后执行。

最后，我们进入一般的应用。应用是一个程序，它可以1) 直接调用系统函数 2) 调用库函数 3) 运行shell script。这些应用可以由多种语言开发(当然，最常见的是C语言)，以满足我们使用计算机的各种需要。

总结 

我们 可以看到，Linux利用kernel实现软硬件的对话。通过系统调用的这个重要的接口，Linux将上层的应用与下层的kernel完全分离开，为程序 员隐藏了底层的复杂性(相应的，也提高了上层应用的可移植性)。当我们在升级kernel的时候，也可以保持系统调用的语句不变，从而让上层应用不感受到 下层的改变。库函数利用系统调用创造出模块化的功能，而shell则提供了一个用户界面，并让我们可以利用shell的语法编写脚本，以整合程序。

而所有的这些安排也为其他应用的开发提供了便利。

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