操作系统基础 | 2.6 linux组成概述2

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程序（Programs）

  • 程序通常有两种形式：
    1. 源代码：人类可读的文本，使用如 C 这样的编程语言编写。
    2. 二进制机器码：计算机可执行的指令。源代码需经过编译和链接，才能变为机器码。
  • 脚本（script）是包含命令的文本文件，由 shell 或其他命令解释器直接处理。
  • “程序”这两个含义通常可以互换，因为编译和链接会将源代码转换为等价的二进制代码。

过滤器（Filters）

  • 过滤器是指一类程序：从标准输入（stdin）读取数据，处理后将结果写到标准输出（stdout）。
  • 常见过滤器有：cat、grep、tr、sort、wc、sed、awk 等。

命令行参数（Command-line arguments）

  • 在 C 语言中，程序可以通过 main 函数的参数访问命令行参数： 
    1
    int main(int argc, char *argv[])
    • argc：参数个数
    • argv：参数字符串数组，argv[0] 通常是程序名

进程（Processes）

  • 进程是正在运行的程序实例。
  • 当程序被执行时，内核会将其代码加载到虚拟内存，分配变量空间，并建立记录进程信息的数据结构（如进程ID、终止状态、用户ID、组ID等）。
  • 内核负责在进程间分配和管理有限资源（如内存、CPU、网络带宽等），进程结束时，资源会被回收。

进程内存布局

进程的内存逻辑上分为以下几个部分（段）： - Text：程序指令（代码段） - Data：静态变量 - Heap：动态分配内存区域 - Stack：函数调用和局部变量的栈空间

进程创建与程序执行

  • 进程可通过 fork() 系统调用创建新进程。调用 fork() 的为父进程，新创建的为子进程。
  • 子进程会复制父进程的数据、堆和栈（代码段通常只读并共享）。
  • 子进程可以继续执行父进程的代码，也可以通过 execve() 系统调用加载并执行新程序。execve() 会用新程序的代码和数据替换原有的段。
  • C 标准库还提供了一系列以 exec 开头的函数，都是对 execve() 的封装，统称为 exec()。

进程ID与父进程ID

  • 每个进程有唯一的进程ID（PID）。
  • 每个进程还有一个父进程ID（PPID），表示哪个进程创建了它。

进程终止与终止状态

  • 进程可以通过 _exit() 系统调用（或相关的 exit() 库函数）主动终止，也可以被信号杀死。
  • 进程终止时会返回一个终止状态（小的非负整数），父进程可以通过 wait() 系统调用获取。
  • 约定：终止状态为 0 表示成功，非零表示出错。大多数 shell 用变量 $? 保存上一个程序的终止状态。 整理与翻译如下：

进程的用户和组标识（凭证）

每个进程都关联有多个用户ID（UID）和组ID（GID），包括：

  • 实际用户ID（real UID）和实际组ID（real GID）：标识进程所属的用户和组。新进程从父进程继承这些ID。登录 shell 的实际UID和GID来自系统密码文件（/etc/passwd）中的相应字段。
  • 有效用户ID（effective UID）和有效组ID（effective GID）：这两个ID（加上补充组ID）用于判断进程访问受保护资源（如文件、进程间通信对象）时的权限。通常有效ID与实际ID相同。更改有效ID可以让进程临时获得其他用户或组的权限。
  • 补充组ID（supplementary group IDs）：标识进程所属的其他组。新进程从父进程继承这些ID，登录 shell 的补充组ID来自系统组文件（/etc/group）。

特权进程

  • 在传统 UNIX 系统中，有效用户ID为0（即超级用户 root）的进程被称为特权进程，可以绕过内核的权限检查。
  • 其他用户运行的进程称为非特权进程，其有效用户ID非0，必须遵守内核的权限规则。
  • 进程可以通过由特权进程创建（如 root 启动的 shell），或通过 set-user-ID 机制（程序文件设置了 setuid 位，进程获得该文件所有者的有效UID）获得特权。

能力（Capabilities）

  • 从 Linux 2.2 内核开始，传统上属于超级用户的权限被细分为多个能力（capabilities）。
  • 每个特权操作都对应一个能力，进程只有拥有相应能力才能执行该操作。
  • 传统的超级用户进程（有效UID为0）等价于拥有所有能力的进程。
  • 只授予进程部分能力，可以让它执行部分特权操作，同时限制其他操作。
  • 能力名称以 CAP_ 开头，如 CAP_KILL。

init 进程

  • 系统启动时，内核会创建一个特殊进程 init（所有进程的“父进程”），其程序文件为 /sbin/init。
  • 系统中所有进程都是由 init 或其子孙进程通过 fork() 创建的。
  • init 进程的进程ID永远为1，拥有超级用户权限，不能被杀死（即使是超级用户也不行），只会在系统关机时终止。
  • init 的主要任务是创建和管理系统运行所需的各种进程。

守护进程（Daemon processes）

  • 守护进程是一类特殊用途的进程，由系统创建和管理，其特点包括：
    • 生命周期长：通常在系统启动时启动，直到系统关闭才结束。
    • 后台运行：没有控制终端，无法直接读取输入或输出到终端。
  • 常见的守护进程有 syslogd（记录系统日志）、httpd（提供网页服务）等。

环境变量列表（Environment list）

  • 每个进程都有一个环境变量列表，存储在进程的用户空间内存中。每个环境变量由名称和值组成。
  • 通过 fork() 创建新进程时，子进程会继承父进程的环境变量列表。这为父进程向子进程传递信息提供了机制。
  • 进程用 exec() 执行新程序时，可以选择继承原有环境变量，或指定新的环境变量。
  • 在大多数 shell 中，用 export 命令（C shell 用 setenv）创建环境变量，例如： 
    1
    export MYVAR='Hello world'
  • C 程序可以通过外部变量 char **environ 访问环境变量，也可用相关库函数获取和修改环境变量。
  • 环境变量用途广泛，如 HOME（用户主目录）、PATH（shell 查找命令的目录列表）等。

资源限制（Resource limits）

  • 每个进程都会消耗资源，如打开的文件数、内存、CPU 时间等。
  • 进程可用 setrlimit() 系统调用设置资源消耗的上限。每种资源限制有两个值：
    • 软限制（soft limit）：进程实际可用的资源上限。
    • 硬限制（hard limit）：软限制可调整的最大值。
  • 非特权进程可以将软限制调整到硬限制以内的任意值，但只能降低硬限制，不能提高。
  • 新进程通过 fork() 创建时，会继承父进程的资源限制设置。
  • shell 可用 ulimit 命令（C shell 用 limit）调整资源限制，这些设置会被子进程继承。