文章目錄

• • 1、內核
  • • • 1.1 內核的職責
  • 2、shell
  • 3、用戶和組
  • • • 3.1 用戶
      • 3.1 組
      • 3.2 超級用戶
  • 4、單根目錄層級、目錄、鏈接及文件
  • • • 4.1 文件類型
  • 5、文件I/O模型
  • • • 5.1 文件描述符
  • 6、程序
  • 7、進程
  • 8、內存映射
  • 9、靜態庫和共享庫
  • 10、進程間通信及同步
  • 11、信號
  • 12、線程
  • 13、會話、控制終端和控制進程
  • 14、偽終端
  • 15、/proc文件系統

1、內核

1.1 內核的職責

【進程調度】：計算機內均配備有一個或多個CPU，以執行程序指令；Linux屬于搶占式多任務系統，“多任務”即多個進程可同時駐留于內存，且每個進程都能獲得對CPU的使用權，“搶占”則控制著哪些進程獲得對CPU的使用，以及每個進程能使用多長時間，這兩者都由內核進程調度程序決定； 【內存管理】：由于物理內存(RAM)仍然屬于有限資源，內核必須以公平、高效地在進程間共享這一資源；Linux也采用了虛擬內存管理機制，該技術主要具有以下兩方面的優勢：- 進程與進程之間、進程與內核之間彼此隔離，因此一個進程無法讀取或修改內核或其他進程的內存內容；- 只需將進程的一部分保持在內存中，這降低了每個進程對內存的需求量，而且還能在RAM中同時加載更多的進程。大幅提升事件的發生概率，在任一時刻，CPU都有至少一個進程可以執行，從而使得對CPU資源的利用更加充分； 【文件系統】：允許對文件執行創建、獲取、更新以及刪除等操作； 【創建和終止進程】：內核可將新程序載入內存，為其提供運行時資源，執行完畢，內核還要確保釋放其占用資源，以供后續程序重新使用； 【對設備的訪問】：計算機外接設備（鼠標、鍵盤、磁盤和磁帶驅動器等）可實現計算機與外部世界的通信； 【API】：進程可利用內核入口點（系統調用）請求內核去執行各種任務；

內核態和用戶態
參考：【操作系統】| 【01】操作系統簡介（運行機制、體系結構、中斷、系統調用）

2、shell

即命令解釋器，主要里讀取用戶輸入的命令，并執行相應的程序以響應命令；

3、用戶和組

系統會對每個用戶的身份作唯一標識；

3.1 用戶

系統密碼文件/etc/passwd，中記錄系統每個用戶的用戶名和用戶ID、組ID、主目錄、登錄shell；

3.1 組

出于管理目的，尤其是為了控制對文件和其他資源的訪問，將多個用戶分組； 每個用戶組對應系統文件中的/etc/group中的一行記錄：- 組名；- 組ID；- 用戶列表；

3.2 超級用戶

用戶ID為0，登錄名為root，享有特權；

4、單根目錄層級、目錄、鏈接及文件

4.1 文件類型

普通文件[-]、目錄文件[d]、字符設備[c]、塊設備[b]、管道[p]、套接字[s]、符號鏈接[l]；

符號鏈接

經過特殊標記的文件，一個符號鏈接對應（引用）著目錄中內容為文件名+指針的記錄； - 只要系統調用用到路徑名，內核就會自動接觸該路徑名中符號鏈接的引用（以符號鏈接指向的文件名來替換）； - 若指向的文件不存在，則為空鏈接；

文件名

最長長度為255個字符，不能包含/和\0；- 建議使用[-._a-zA-Z0-9]內的字符集；- 應避免使用-為文件名開頭，容易在shell中被當作參數；

路徑

【絕對路徑】：以/開始的路徑； 【相對路徑】：相對于當前工作目錄的文件路徑；

文件所有權和權限

每個文件都有一個與之相關的用戶ID和組ID，分別定義文件的屬主和屬組，還要其他用戶；

5、文件I/O模型

采用open、read、write、close這些系統調用程序能夠處理任何類型的文件；

5.1 文件描述符

用來指代打開的文件，常用open來獲取文件描述符； - 通過shell啟動進程會繼承3個已打開的文件描述符：0(stdin) - 標準輸入，1(stdout)標準輸出，2(stderr)標準錯誤；

6、程序

經過編譯和鏈接處理，將源碼轉化為語義相同的二進制機器碼； int main(int argc, char *argv[])：argc為命令行參數總個數，argv為指針數組記錄命令行參數；

7、進程

進程即正在執行程序的程序實例：- 內核必須在他們之間共享各種計算機資源；- 內核會將程序代碼載入虛擬內存；- 為程序變量分配空間，建立數據結構以至于記錄與進程有關的各種信息；

進程的內存布局

文本：程序的指令； 數據：程序使用的靜態變量； 堆：程序可從該區域動態分配額外內存； 棧：隨函數調用、返回而增減的一片內存，用于為局部變量和函數調用鏈接信息分配存儲空間；

創建進程和執行程序

可使用fork創建一個新進程，父進程調用fork，fork創建的為子進程（復制） ；- 子進程從父進程繼承數據段、棧段以及堆段的副本后，可修改，不會影響父進程的內容；- 子進程一般去執行父進程代碼段中的另一組函數，或者使用execve去加載新程序；- execve會銷毀現有的文本段，數據段、棧段、堆段；

進程ID和父進程ID

進程標識符PID，父進程標識符PPID；

進程終止和終止狀態

- 使用_exit()請求退出； - 向進程傳遞信號，將其殺死；

進程的用戶和組標識符

真實用戶ID和組ID：用來標識進程所述的用戶和組； 有效用戶ID和組ID：進程訪問受保護資源時，會使用這兩個ID來確定訪問權限； 補充組ID：用來標識進程所屬的額外組；

init進程

系統引導時，內核會創建一個名為init的特殊進程(/sbin/init)；- 進程號總為1，以超級用戶權限運行；- 只有關閉系統才能終止該進程；- init主要是創建并監控系統運行所需的一系列進程；

8、內存映射

會在虛擬地址空間中創建一個新的內存映射； - 【文件映射】：將文件部分區域映射入調用進程的虛擬內存；完成后，對文件映射內容的訪問轉化為相應內存區域的字節操作； - 【匿名映射】：其頁面內容會被初始化為0；【映射共享】： - 兩個進程都針對某一文件的相同部分加以映射； - 由fork創建的子進程處繼承映射；

當兩個或多個進程頁面相同時，進程之一對頁面內容的改動是否為其他進程所見呢

若傳入標志為私有，則某進程對映射內容的修改對于其他進程是不可見的，而且改動不會落實到文件； 若傳入標志為共享，修改則其他進程可見；

9、靜態庫和共享庫

靜態庫

對已編譯目標模塊的一種結構化整合；- 使用該庫中的函數，需要在創建程序的鏈接命令中指定相應的庫；- 鏈接器解析后，會從庫中抽取所需的目標模塊副本，拷貝到可執行文件中，即靜態鏈接；- 使用該庫程序中都會帶有一份副本，會造成空間浪費；- 若對庫函數進行修改，則需要重新加以編譯生成新的靜態庫；

共享庫

為了解決靜態庫存在的問題，不會及那個目標模塊拷貝到可執行程序中；- 會在可執行文件中寫入一條記錄，表明可執行文件在運行時需要使用該共享庫；- 一旦運行時將可執行文件載入內存；- 共享庫代碼在內存中只需保留一份，且供所有運行中的程序使用；

10、進程間通信及同步

【進程間通信機制】： - 信號：用來表示事件的發生； - 管道：和FIFO，用于在進程間傳遞數據； - 套接字：供同一臺主機或是聯網的不同主機上所運行的進程之間傳遞數據； - 文件鎖定：為防止其他進程讀取或更新文件內容，允許某進程對文件的部分區域加以鎖定； - 消息隊列：用于在進程間交拖消息（數據包)； - 信號量：用來同步進程動作； - 共享內存：允許兩個及兩個以上進程共享一塊內存；

11、信號

信號采用不同的整數來標識各種信號類型，信號從產生直至送達進程期間，一直處于掛起狀態；- 【內核可向進程發送信號】： - 用戶鍵入中斷字符； - 進程的子進程之一已終止； - 由進程設定的定時器已到期； - 進程嘗試訪問無效的內存地址；【進程會根據信號采取的動作】： - 忽略信號； - 被信號殺死； - 先掛起，在被專用信號喚醒；

12、線程

在現代UNIX 實現中，每個進程都可執行多個線程，每個線程都會執行相同的程序代碼，共享同一數據區域和堆，但每個線程都擁有屬于自己的棧，用來裝載本地變量和函數調用鏈接信息；- 線程之間可通過共享的全局變量進行通信，借助于線程API所提供的條件變量和互斥機制；- 線程的主要優點在于協同線程之間的數據共享(通過全局變量）更為容易；

13、會話、控制終端和控制進程

會話指一組進程組，中所有進程都具有相同的會話標識符；- 首進程即創建會話進程；- 進程ID即會話ID；- 會話會與某個控制終端相關；控制終端建立于會話首進程初次打開終端設備之時；- 一個會話可以擁有任意數量的后臺進程組，由以&結尾的行命令來創建；

14、偽終端

一對相互連接的虛擬設備 —— 主從設備；- 設備間設有IPC信道，可供數據進行雙向傳遞；

15、/proc文件系統

該文件系統為一種虛擬文件系統，由一組目錄和文件組成，提供一個指向內核數據結構的接口；- 為查看和改變各種系統屬性提供便利；

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【Linux系统编程】| 【01】系统编程基本概念的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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