操作系统基础 | 2.5 linux组成概述

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Shell（壳/命令行解释器）

Shell 是一种专门的程序，用于读取用户输入的命令，并根据这些命令执行相应的程序。Shell 也被称为命令解释器（command interpreter）。

  • 登录 Shell（login shell）：指用户首次登录时系统为其启动的运行 Shell 的进程。

在某些操作系统中，命令解释器是内核的一部分；但在 UNIX 系统中，Shell 是一个普通的用户进程。UNIX 系统支持多种 Shell，不同用户（甚至同一用户的不同会话）可以同时使用不同的 Shell。

用户与用户组（Users and Groups）

用户（Users）

  • 系统中的每个用户都有唯一的登录名（username）和对应的数字用户ID（UID）。
  • 每个用户的信息都记录在 /etc/passwd 文件的一行中，内容包括：
    • 用户名
    • 用户ID（UID）
    • 所属的第一个用户组的组ID（GID）
    • 家目录（home directory）：用户登录后进入的初始目录
    • 登录Shell：用于解释用户命令的程序名
    • 密码（通常为加密形式），但出于安全考虑，密码一般存储在只有特权用户可读的 shadow 密码文件中。

用户组（Groups）

  • 为了管理和控制对文件及其他系统资源的访问，用户可以被组织到用户组中。
  • 例如，一个项目组的成员可以被加入同一个用户组，以便共享文件。
  • 早期 UNIX 系统中，一个用户只能属于一个组。BSD 及后来的 UNIX 和 POSIX 标准允许用户同时属于多个组。
  • 每个用户组的信息记录在 /etc/group 文件的一行中，内容包括：
    • 组名（唯一）
    • 组ID（GID）
    • 用户列表：以逗号分隔的用户名列表，表示属于该组的用户（不包括那些通过 /etc/passwd 文件的 GID 字段已属于该组的用户）

超级用户（Superuser）

  • 系统中有一个特殊用户，称为超级用户（superuser），拥有系统内的特殊权限。
  • 超级用户的用户ID为0，通常用户名为 root。
  • 超级用户可以绕过系统的所有权限检查。例如，可以访问系统中的任何文件、向任何进程发送信号等。
  • 系统管理员使用超级用户账户执行各种系统管理任务。

单一目录层次结构、目录、链接与文件

Linux 内核维护着一个单一的分层目录结构来组织系统中的所有文件（与 Windows 等操作系统每个磁盘有独立目录树不同）。这个层次结构的顶端是根目录 /，所有文件和目录都是根目录的子孙。

文件类型

  • 普通文件（regular file）：普通数据文件。
  • 目录（directory）：特殊文件，内容是文件名和对应文件引用的表。
  • 其他类型：还包括设备文件、管道、套接字、符号链接等。

目录与链接

  • 目录是特殊文件，内容是“文件名+引用”的表，这种关联称为链接（link）。
  • 一个文件可以有多个链接（即多个名字），可以存在于同一目录或不同目录。
  • 目录可以包含指向文件和其他目录的链接，形成树状层次结构。
  • 每个目录至少有两个特殊条目：
    • . ：指向自身
    • .. ：指向父目录（根目录的 .. 也指向自身）
  • 符号链接（软链接，soft link）是一个特殊文件，内容是另一个文件的路径名。
  • 当系统调用中指定路径时，内核会自动解析（跟随）符号链接，直到找到目标文件（递归解析，内核会限制递归次数以防死循环）。
  • 如果符号链接指向的目标不存在，则称为悬挂链接（dangling link）。
  • 硬链接（hard link）和软链接（soft link）是两种不同的链接类型。

文件名（Filenames）

  • 在大多数 Linux 文件系统中，文件名最长可达 255 个字符。
  • 文件名可以包含除斜杠（/）和空字符（\0）以外的任意字符。
  • 建议只使用字母、数字、点（.）、下划线（_）和连字符（-），即字符集 [-._a-zA-Z0-9]，这被称为 SUSv3 标准的“可移植文件名字符集”。
  • 避免使用不在可移植字符集内的字符，因为这些字符在 shell、正则表达式等环境下可能有特殊含义。如果必须使用，需要用反斜杠（）转义，否则可能无法正确使用。
  • 避免以连字符（-）开头的文件名，因为在 shell 命令中可能被误认为是选项。

路径名（Pathnames）

  • 路径名是由可选的开头斜杠（/）和一系列用斜杠分隔的文件名组成的字符串。
  • 除最后一个部分外，路径中的每个部分都应是目录（或能解析为目录的符号链接），最后一个部分可以是任意类型的文件。
  • 路径名分为两类：
    • 绝对路径名：以斜杠（/）开头，从根目录开始定位文件。例如 /home/mtk/.bashrc、/usr/include、/。
    • 相对路径名：不以斜杠开头，相对于当前工作目录。例如，从 usr 目录访问 types.h 可用 include/sys/types.h，从 avr 目录访问 .bashrc 可用 ../mtk/.bashrc。
  • 路径名可以包含 ..，表示上一级目录。

当前工作目录（Current working directory）

  • 每个进程都有一个当前工作目录（current working directory），即进程在目录树中的“当前位置”，相对路径名都是基于这个目录解析的。
  • 进程的当前工作目录由父进程继承。登录 shell 的初始工作目录由 /etc/passwd 文件中的 home 字段指定。
  • 可以用 cd 命令更改当前工作目录。

文件所有权与权限（File ownership and permissions）

  • 每个文件都有一个关联的用户ID（UID）和组ID（GID），分别表示文件的所有者和所属组。
  • 文件的所有权决定了哪些用户可以访问该文件。
  • 系统将用户分为三类：
    1. 文件所有者（user）
    2. 与文件组ID匹配的组成员（group）
    3. 其他所有用户（other）
  • 每类用户有三种权限（共九个权限位）：
    • 读（read）：允许读取文件内容
    • 写（write）：允许修改文件内容
    • 执行（execute）：允许执行该文件（如程序或脚本）
  • 目录的权限含义略有不同：
    • 读：允许列出目录内容（文件名）
    • 写：允许修改目录内容（添加、删除、重命名文件）
    • 执行（或称搜索）：允许访问目录中的文件（前提是对文件本身也有权限）

文件 I/O 模型

I/O 的通用性

UNIX 系统 I/O 模型的一个显著特点是I/O 的通用性。这意味着同一组系统调用（如 open()、read()、write()、close() 等）可以用于所有类型的文件，包括设备文件。内核会将应用程序的 I/O 请求转换为相应的文件系统或设备驱动操作，从而对目标文件或设备进行实际的 I/O 操作。因此，使用这些系统调用的程序可以对任何类型的文件进行操作。

内核本质上只提供一种文件类型：按字节顺序排列的字节流。对于磁盘文件、磁盘和磁带设备，可以通过 lseek() 系统调用实现随机访问。

许多应用和库将换行符（ASCII 码 10，linefeed）视为一行文本的结束和下一行的开始。UNIX 系统没有专门的文件结束符（EOF），文件结束通过 read() 返回无数据来检测。

文件描述符（File descriptors）

I/O 系统调用通过文件描述符（file descriptor）来引用已打开的文件。文件描述符是一个（通常很小的）非负整数。通常通过 open() 调用获得文件描述符，open() 需要一个路径名参数，指定要进行 I/O 操作的文件。

当进程由 shell 启动时，通常会继承三个已打开的文件描述符： - 0：标准输入（standard input），进程从中读取输入 - 1：标准输出（standard output），进程向其写入输出 - 2：标准错误（standard error），进程向其写入错误信息和异常通知

在交互式 shell 或程序中，这三个描述符通常都连接到终端。在 stdio 库中，它们分别对应于 stdin、stdout 和 stderr。

stdio 库

C 语言程序通常使用标准 C 库中的 I/O 函数（即 stdio 库）进行文件 I/O。常用的 stdio 函数包括 fopen()、fclose()、scanf()、printf()、fgets()、fputs() 等。这些 stdio 函数是建立在底层 I/O 系统调用（如 open()、close()、read()、write() 等）之上的。