总第77篇

本篇将全面梳理Linux系统的体系结构，相信你阅读完本文定能对Linux系统有一个更深刻地认识和更全面的掌握。

Linux系统一般有四个主要部分：内核、shell、文件系统、应用程序。 前三者一起构成了基本的操作系统结构，它使得用户可以使用这个操作系统并在系统中完成特定的任务。其结构如下图所示。

1.Linux内核

内核是操作系统的核心，提供很多的基本功能，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件系统和网络系统等，决定着系统的性能和稳定性。Linux内核主要由以下几部分组成：内存管理、进程管理、设备驱动程序、文件系统、网络管理等，其体系结构可表示成如下图所示：

从上图可以看出，用户与内核之间的交互是通过系统调用接口来完成的。

系统调用接口（System Call Interface）这一层提供了 某些机制执行从用户空间到内核空间的函数调用，接口依赖于体系结构。SCI可以看作是一个非常有用的函数调用式的多路复用、多路分解服务，在目录./linux/kernel下可以找到SCI层的具体实现，在目录./linux/arch 下可以找到其依赖的体系结构。

内存管理

对于计算机而言，内存资源总是有限的，为了让有限的物理内存满足应用程序的需求，Linux采用了“虚拟内存”管理方式， 它使得应用程序认为它拥有连续可用的内存（实际上是多个物理内存碎片，甚至部分暂存在外部磁盘上），让大型程序的编写变得更容易，对物理内存的使用也更有效率。Linux将物理内存划分为容易处理的内存页，目前大多数系统的页面都是4kb 。

Linux包括了管理可用内存的方式以及物理、虚拟映射所使用的硬件机制。当然，内存管理不光是管理4kb缓冲区， 系统提供了对4kb缓冲区的抽象， 它是以4kb为基数，从中分配结构，并跟踪内存页的使用情况，从而达到根据系统的需要动态调整的效果。

为了支持多用户使用内存，有时内存可能被消耗光，系统可以将暂时不用的页面放入磁盘中，这个过程称为交换。内存管理的源代码可以在目录./linux/mm中查看。

进程管理

进程是某特定应用程序的一个运行实体。Linux系统支持多任务，它是通过在“时间片”间隔内轮流执行这些进程来实现的，进程轮流执行的方法称为“进程调度”，完成调度的程序为调度程序。 进程调度就是控制进程对CPU的访问， 每次由调度程序选择“最值得”运行的进程（可运行进程是仅等待CPU资源的进程），这种“最值得”是系统基于优先级的进程调度算法实现的。

通用多任务机制，每个进程可认为只有自己独占计算机，从而简化了程序的编写。每个进程有自己单独的地址空间，并只有自己可以访问，这样可以有效避免进程间的干扰。对于某项任务需要多个进程协作完成的，操作系统提供了进程间通讯机制来辅助完成。Linux系统中常见的进程间通讯机制有：信号、管道、共享内存、信号量、套接字等。

内核通过SCI层提供了一个应用程序编程接口来创建一个新进程（fork 、exec或POSIX函数）、停止进程（kill、exit），并在它们之间进行通信和同步（signal或POSIX机制）。

文件系统

Linux系统将独立的文件系统组合成了一个层次化的树形结构， 并由一个单独的实体代表这一文件系统。对于一个外部新的文件系统，Linux系统通过“挂载”的方式将其挂载到某个目录上，从而让不同的文件系统结合成一个整体。

Linux支持多种不同的文件系统，其中Ext2是其原生文件系统外，它也能够支持FAT、VFAT、FAT32、MINIX等文件系统，从而可以方便地与其它操作系统交换数据。Linux系统之所以能支持不同的文件系统，是因为它将各种文件系统组织成了一个统一的虚拟文件系统（Virtual File System）。

虚拟文件系统为所有设备提供了统一的接口，它在用户和内核所支持的文件系统之间提供了一个交换层，如下图所示：

从上图可以看出，在VFS上面是对文件的open、close、read、write等通用API的抽象，在VFS下面是文件系统的抽象，定义了上层函数的实现。文件系统的源代码可以在目录./linux/fs中查看。

有了虚拟文件系统，用户和进程不需要知道文件所在的文件系统类型，而只需要像使用Ext2文件系统一样使用即可。

设备驱动程序

设备驱动程序是Linux系统内核的主要部分，它控制着操作系统和硬件设备间的交互。一般，设备驱动程序与设备的控制芯片有关。

网络接口

网络接口提供了各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。Linux的网络实现支持BSD套接字，支持全部的TCP/IP协议。

2. Linux Shell

shell是系统的用户界面，提供了用户与内核进行交互操作的接口，它接收用户输入的命令并将它送到内核去执行。shell编程语言具有普通编程语言的很多特点，用这种编程语言编写的shell程序与其它应用程序具有同样的效果。

目前大部分GNU操作系统上默认的就是bash shell。

3. Linux文件系统

文件系统是文件存放在存储设备上的组织方法。Linux系统支持的文件系统非常多，除Ext2、Ext3和Ext4 之外，还能支持FAT、NTFS等Windows文件系统，较常见的文件系统如下表所示。

3.1 Linux文件类型

Linux系统主要有以下文件类型：

• 普通文件：分为纯文本文件和二进制文件，如C语言代码、shell脚本、二进制可执行文件等；
• 目录文件：目录是存储文件的唯一地方；
• 链接文件：指向同一个文件或目录的文件；
• 设备文件：与系统外设相关的，一般在目录/dev下面。设备分为块设备和字符设备；
• 管道文件：提供进程间通信的一种方式；
• 套接字文件：与网络通信相关的文件；

可以通过命令ls -l、file、stat等命令来查看文件的类型相关信息。

3.2 Linux目录

Linux使用标准的目录结构，在安装时就已经为用户创建了文件系统和完整固定的目录组成形式，并指定了每个目录的作用和其中的文件类型。 在系统中，使用/来表示根目录，用.或./表示当前目录，用..或../表示上一层目录。若一个目录或文件名以.开始，则表示这个目录或文件是一个隐藏目录或文件，如.bashrw，在默认方式查找时，不显示该目录或文件。

Linux系统的通过目录结构如下图所示：

下表列出了这些目录的作用与存储内容。

在Linux系统中，有下面几个目录是非常重要的，注意不误删除或随意修改内部文件：

• /etc：这个是系统配置文件，修改了目录下的某个文件可能导致系统无法启动；
• /bin，/sbin，/usr/bin，/usr/sbin：这是系统预设执行文件的放置目录， 不要轻易修改；
• /var：这是非常重要的一个目录，相当于Windows下的Program files文件夹，系统上运行的很多程序的日志文件也存储于此。

3.2 Linux磁盘分区

Linux分区不同于Windows，硬盘和硬盘分区在Linux系统中都表示为设备。硬盘分区一共有三种：主分区、扩展分区和逻辑分区。主分区与扩展分区的数目之和不能大于四个。

• 主分区（Primary Partion）：可以马上被使用，但不能再分区；
• 扩展分区（Extension Partion）：必须再进行分区后才能使用；
• 逻辑分区（Logical Partion）：由扩展分区建立起来的分区，逻辑分区没有数量上的限制；

扩展分区只不过是逻辑分区的“容器”，实际上只有主分区与逻辑分区进行数据存储。

Linux系统下的硬盘分区标识一般使用/dev/hd[a-z]X（IDE接口的硬盘）或者/dev/sd[a-z]X（SCSI接口的硬盘）格式，其中[a-z]代表硬盘号，X代表硬盘内的分区号。 X的值是1到4时，表示为硬盘的主分区（包含扩展分区），逻辑分区是从5开始的。要注意：即使一块硬盘只有一个主分区，逻辑分区也是从5开始编号的。

总起来说，一个硬盘分区首先要确认在哪个硬盘，然后再确认它在哪个分区。可以使用fdisk -l命令查看硬盘的详细信息。

硬连接与软连接

Linux中连接有硬连接与软连接之分， 软连接又叫符号连接。它们的特点如下：

• 硬连接：是指通过索引节点进行连接。文件系统中的文件都会给其分配一个编号，这个编号即索引节点，多个索引节点指向同一文件就是硬连接。硬连接的作用在于允许一个文件有多个路径名，从而建立了硬连接，以防止“误删除”。文件真正删除的条件是与之相关的所有硬连接文件均被删除。
• 软连接：用ln -s命令建立文件的符号连接是linux特殊文件的一种，作为一个文件，它的数据是它所连接的文件的路径名，类似于Windows下的快捷方式。

硬连接与软连接的区别在于：

• 硬连接原文件与新文件的inode编号一致，而软连接不一样；
• 对原文件删除，会导致软连接不可用，而硬连接不受影响；
• 对原文件的修改，软硬连接文件内容都同样的修改，因为指向的是同一个文件内容的。

文件目录管理的相关命令

文件目录管理的相关命令列举如下：

磁盘与文件空间管理：fdisk、df、du；

文件目录与管理：cd、pwd、mkdir、rmdir、ls、cp、rm、mv

查看文件内容：cat、tac、more、less、head、tail

文件目录与权限：chmod、chown、chgrp、umask

文件查找：which、whereis、locate、find

4.Linux内核参数优化

内核参数是用户与系统内核之间交互的一个接口，通过这个接口，用户可以在系统运行的同时，动态更新内核配置。这些内核参数是通过Linux proc文件系统实现的，因此，可以通过调整proc文件系统达到优化Linux系统性能的目的。

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