Linux 操作系统

操作系统

特性

• 开源免费：基于 GPL 许可证，源代码公开，允许自由修改、分发和商用，避免了闭源系统的垄断限制。
• 多用户、多任务：支持同时多个用户登录，且能并发运行多个进程（任务），通过进程调度实现高效资源分配。
• 稳定性与可靠性：内核设计注重稳定性，适合长时间运行（如服务器常以 "年" 为单位不间断运行），崩溃概率极低。
• 可移植性：内核可在 x86、ARM、RISC-V 等多种架构的硬件上运行，从嵌入式芯片到超级计算机均能适配。
• 安全性：通过用户权限、文件访问控制、防火墙等机制保障系统安全，开源特性也让漏洞能被快速发现和修复。
  

架构

Linux 采用 "分层架构"，内核具有很高的权限，可以控制CPU，内存，硬盘等硬件，而应用程序具有的权限很小，因此大多数操作系统，把内存分成两个区域：核心分为内核空间 和用户空间，两者通过系统调用交互。

• 内核空间，只有内核程序可以访问
• 用户空间：专门给应用程序使用

CPU可以在两种状态下运行：用户态和内核态，在用户态运行时，CPU只能访问用户空间的内存；在内核态运行时，CPU既能访问用户空间也能访问内核空间。

内核空间（核心组件）

内核是 Linux 的 "大脑"，运行在最高权限级别（Ring 0），作为应用程序连接硬件硬件设备的桥梁，主要功能包括：

• 进程管理：负责进程的创建、销毁、调度（如 CFS 完全公平调度器），以及进程间通信（IPC）。
• 内存管理：通过虚拟内存机制管理物理内存和磁盘交换区，实现进程地址空间隔离、内存分配与回收。
• 文件系统管理：通过 VFS（虚拟文件系统）抽象不同文件系统（如 ext4、XFS），统一文件操作接口（打开、读写、关闭等）。
• 设备管理：通过进程与硬件交互，将硬件抽象为 "设备文件"（如 /dev/sda 代表硬盘），支持字符设备（如键盘）和块设备（如硬盘）。
• 网络管理：实现 TCP/IP 协议栈，支持网络数据的封装、路由、转发，以及防火墙（netfilter/iptables）等功能。
• 提供系统调用接口：进程可利用内核入口点（也称为系统调用）请求内核去执行各种任务。

用户空间（用户交互层）

用户空间运行在低权限级别（Ring 3），是用户与系统交互的接口，包括：

• Shell：命令行解释器（如 bash、zsh），用户通过输入命令调用内核功能（如 ls 查看文件、mkdir 创建目录）。
• 图形界面（GUI）：基于 X Window System 或 Wayland，提供可视化操作（如 GNOME、KDE 桌面环境）。
• 应用程序：用户安装的软件（如浏览器、数据库、开发工具），通过系统调用向内核请求资源（如读写文件需调用 open() 系统调用）。

核心机制

内存管理

• 虚拟内存：每个进程拥有独立的 4GB 虚拟地址空间（32 位系统），通过页表映射到物理内存或磁盘交换区（Swap），实现 "内存隔离" 和 "内存扩展"（即使物理内存不足，也可通过 Swap 临时存储数据）。
• 分页机制：虚拟地址和物理地址按 "页"（通常 4KB）划分，页表记录映射关系，TLB（快表）加速地址转换。
• 内存分配：内核通过 "伙伴系统" 管理物理内存（分配大块连续内存），"slab 分配器" 管理小内存（如内核对象），避免内存碎片。
• OOM 机制：当内存耗尽时，内核的 OOM Killer（Out-of-Memory Killer）会按优先级杀死进程，释放内存以保障系统存活。

进程管理

• 进程概念：进程是程序的运行实例，拥有独立的地址空间、寄存器状态和资源（如文件描述符），通过 PID（进程 ID）唯一标识。
• 进程状态：包括运行（R）、就绪（R）、阻塞（S/D）、停止（T）、僵尸（Z）等，内核通过调度器（如 CFS）决定哪个进程获得 CPU 时间。
• 进程调度：CFS（Completely Fair Scheduler）是 Linux 主流调度器，通过 "虚拟运行时间" 计算进程优先级，确保每个进程公平占用 CPU。
• 进程间通信（IPC）：包括管道（Pipe）、信号（Signal）、共享内存（Shared Memory）、消息队列（Message Queue）、信号量（Semaphore）等，用于进程间数据交换或同步。

文件系统

文件系统负责管理存储设备上的数据组织、访问和持久化。与 Windows 等系统的 "多根目录（如 C:、D:）" 不同，Linux 采用单一树形目录结构，并遵循 "一切皆文件" 的设计哲学（包括硬件设备、进程、网络接口等都被抽象为文件）。

• 一切皆文件：Linux 中，硬件设备（如 /dev）、进程信息（如 /proc）、网络套接字（如 /sys）均被抽象为文件，统一通过 open()/read()/write() 等接口操作。
• VFS（虚拟文件系统）：内核的中间层，屏蔽不同文件系统（如 ext4、XFS、NFS）的差异，为用户提供统一的文件操作接口。
• 目录结构（标准 FHS 规范）单一树形结构：Linux 以/（根目录）为起点，所有文件和子目录都挂载在根目录下，形成层级结构。

单一树形结构

目录	功能说明
/	根目录，所有文件系统的起点
/bin	存放普通用户可执行的基础命令（如ls、cp），系统启动时必须可用
/sbin	存放管理员（root）专用命令（如reboot、fdisk），用于系统管理
/user	存放用户程序和数据，类似 "软件安装目录"，包含/usr/bin（用户命令）、/usr/lib（库文件）等
/etc	存放系统配置文件（如/etc/passwd用户信息、/etc/fstab挂载配置）
/home	普通用户的主目录（如/home/alice是用户alice的个人目录）
/root	管理员（root）的主目录（普通用户无权限访问）
/var	存放动态变化的数据（如日志/var/log、缓存/var/cache、数据库文件）
/tmp	临时文件目录（所有用户可读写，系统重启后可能清空）
/dev	设备文件目录（如/dev/sda1是硬盘分区、/dev/tty1是终端设备）
/proc	虚拟文件系统，映射内核和进程实时信息（如/proc/1是 PID=1 的进程信息）
/sys	虚拟文件系统，暴露硬件设备和内核子系统信息（如/sys/class/net网络设备）
/lib	存放系统核心共享库（如 C 语言库libc.so），支撑/bin和/sbin的命令
/mnt	临时挂载点（用户手动挂载外部设备，如 U 盘、移动硬盘）
/media	自动挂载点（系统自动识别的可移动设备，如光盘、U 盘，会自动挂载到此处）

文件系统类型

1. 本地磁盘文件系统（最常用）

• ext 系列 ：Linux 传统文件系统，ext4 是目前主流（ext2 无日志，ext3 有基础日志，ext4 支持更大容量和更快速度）。
  支持最大文件 16TB，最大分区 1EB，适合普通硬盘和 SSD。
• XFS：高性能日志文件系统，擅长处理大文件和高吞吐量（如服务器日志、数据库），RHEL/CentOS 7 + 默认使用。
• Btrfs："下一代文件系统"，支持快照、动态扩容、数据校验等高级功能，适合需要灵活管理的场景（如虚拟机存储）。
• FAT32/NTFS：兼容 Windows 的文件系统，需通过ntfs-3g工具挂载才能在 Linux 中读写 NTFS。

2. 虚拟 / 临时文件系统

• tmpfs：基于内存的临时文件系统，数据存储在 RAM 中（或 swap），速度极快，用于/tmp或/run（进程运行时数据），重启后数据丢失。
• procfs：即/proc目录，不占用磁盘空间，实时映射内核和进程信息。
• sysfs：即/sys目录，用于暴露硬件设备和内核参数的层级结构。

3. 网络文件系统

• NFS：网络文件系统，允许远程主机通过网络共享文件（如服务器 A 的/data挂载到客户端 B 的/mnt/nfs）。
• CIFS/SMB：兼容 Windows 的网络共享协议，通过samba服务实现 Linux 与 Windows 文件共享。

VFS（Virtual File System，虚拟文件系统）

它是内核中的一层抽象接口，它并非实际的文件系统，而是通过统一的接口适配各种底层文件系统（如 ext4、xfs、ntfs、NFS 等），让用户和应用程序可以用相同的方式访问不同类型的文件系统。VFS 是 Linux 实现 "一切皆文件" 哲学的核心机制，其本质是 "用统一的抽象屏蔽底层差异"。

VFS关键数据结构

VFS 通过一组抽象的数据结构描述文件系统的核心要素，这些结构是连接用户操作与底层文件系统的 "桥梁"。

1. 超级块（super_block）

• 作用 ：对应一个 已挂载的文件系统（如一个 ext4 分区、一个 NFS 共享目录），记录该文件系统的全局元数据。
• 核心信息 ：
  • 文件系统类型（如 ext4、xfs）；
  • 总大小、块大小、inode 总数等；
  • 挂载点、挂载选项（如只读 / 读写）；
  • 指向该文件系统操作函数集的指针（super_operations）。
• 特点：每个已挂载的文件系统对应一个 super_block，由内核在挂载时创建（通过读取底层文件系统的 "超级块" 元数据初始化）。

2. 索引节点（inode）

• 作用 ：描述一个 文件的元数据（不包含文件名），对应底层文件系统中一个具体的文件 / 目录 / 设备等（"文件" 的抽象）。
• 核心信息 ：
  • 文件类型（普通文件、目录、设备文件等）；
  • 权限（owner、group、other 的 rwx）；
  • 大小、创建 / 修改 / 访问时间；
  • 指向数据块的指针（不同文件系统实现不同，如 ext4 用间接块，xfs 用 B+ 树）；
  • 指向该 inode 操作函数集的指针（inode_operations，如创建文件、删除文件等）。
• 特点 ：
  • 一个 inode 唯一对应一个文件（但一个文件可被多个文件名链接，即硬链接）；
  • 文件名不存储在 inode 中，而是由目录项（dentry）管理。

3. 目录项（dentry）

• 作用 ：实现 "文件名到 inode 的映射"，是目录查找的关键（解决 "如何通过文件名找到对应的 inode"）。
• 核心信息 ：
  • 文件名（如 file.txt、docs）；
  • 指向对应 inode 的指针（d_inode）；
  • 父目录的 dentry 指针（形成目录树结构）；
  • 子目录项链表（如目录 docs 的 dentry 包含其下所有文件的 dentry）。
• 特点 ：
  • dentry 是 VFS 层的抽象，底层文件系统可能没有对应的结构（仅存在于内存中）；
  • 会被缓存（dentry 缓存）以加速目录查找（例如频繁访问的文件名无需反复从磁盘读取）。

4. 文件（file）

• 作用 ：描述 进程打开的文件，记录进程与文件的交互状态（"打开的文件" 的抽象）。
• 核心信息 ：
  • 指向对应的 inode（f_inode）；
  • 当前读写偏移量（f_pos，每个进程打开同一文件的偏移量独立）；
  • 打开模式（f_mode，如只读、读写）；
  • 指向该文件操作函数集的指针（file_operations，如 read()、write()、close() 等）。
• 特点 ：
  • 一个 inode 可对应多个 file 结构（多个进程打开同一文件）；
  • 进程通过文件描述符（fd）关联到 file 结构（用户空间的 fd 是内核中 file 数组的索引）。

5. 文件系统类型（file_system_type）

• 作用：描述一种文件系统的 "类型模板"（如 ext4、ntfs），用于内核识别和加载文件系统。
• 核心信息 ：
  • 文件系统名称（如 "ext4"）；
  • 挂载函数（mount_fs，用于创建该类型文件系统的 super_block）；
  • 是否支持磁盘配额、日志等特性。

VFS 的操作函数集（接口抽象的核心）

VFS 的 "统一接口" 通过 函数指针集合（操作表） 实现：底层文件系统只需实现这些函数，VFS 即可通过调用它们完成实际操作。核心操作表包括：

• super_operations：超级块操作（如创建 inode、同步文件系统数据到磁盘）。
• inode_operations：inode 操作（如创建文件、删除文件、重命名、查找目录项）。
• dentry_operations：目录项操作（如验证目录项有效性、释放目录项）。
• file_operations：文件操作（如 read()、write()、lseek()、ioctl()）。

例如，当用户调用 read(fd, buf, size) 时：

1. 内核通过 fd 找到对应的 file 结构；
2. 从 file 中获取 file_operations 函数集；
3. 调用该函数集中的 read 方法（底层文件系统实现的具体函数，如 ext4 的 ext4_file_read）。

VFS 的工作流程（以 "访问文件 /home/user/file.txt" 为例）

1. 解析路径 ：
   用户输入路径 /home/user/file.txt，VFS 从根目录（/）开始，逐层解析目录项（home → user → file.txt）。每一步解析都通过当前目录的 dentry 查找子目录的 dentry（依赖 dentry 缓存加速）。
2. 定位 inode ：
   解析到 file.txt 的 dentry 后，通过 dentry->d_inode 找到对应的 inode，获取文件的元数据（如权限、数据块位置）。
3. 打开文件 ：
   调用 open() 系统调用时，VFS 为当前进程创建 file 结构，关联到 inode，并初始化读写偏移量等状态。
4. 读写操作 ：
   用户调用 read() 或 write() 时，VFS 通过 file->f_op（file_operations）调用底层文件系统的具体实现（如 ext4 从磁盘块读取数据，NFS从远程服务器读取数据）。
5. 关闭文件 ：
   调用 close() 时，VFS 释放 file 结构（若最后一个进程关闭文件，可能触发 inode 的延迟写盘）。

indoe与数据块

Linux 文件系统通过inode和数据块管理文件：

• inode（索引节点） ：

  每个文件对应一个唯一的 inode，存储文件的元数据（非内容）：

  • 文件类型（普通文件、目录、链接等）；
  • 权限（用户、组、其他用户的 rwx 权限）；
  • 大小、创建 / 修改 / 访问时间；
  • 数据块的位置（指向实际存储内容的磁盘块）。
    inode 本身有编号（通过ls -i可查看文件的 inode 号），文件名仅作为 inode 的 "别名"，存储在目录文件中。

• 数据块 ：

  存储文件的实际内容（如文本、图片数据），大小通常为 4KB（可配置）。大文件会占用多个数据块，inode 通过指针记录这些块的位置。

具体详细的，前面文章有讲过，感兴趣的的话可以去看看 硬链接与软链接

设备管理

• 设备分类 ：
  • 字符设备：按字节流顺序读写（如键盘、串口），无缓存；
  • 块设备：按块（如 512B）读写（如硬盘、U 盘），有缓存。
• 设备文件：设备通过 "设备文件" 暴露给用户，位于 /dev 目录（如 /dev/tty1 代表终端，/dev/sda1 代表硬盘分区），通过主设备号（标识设备类型）和次设备号（标识同一类型的不同设备）区分。
• udev 机制：动态管理设备节点，当硬件插入 / 移除时，自动创建 / 删除 /dev 下的设备文件，无需手动配置。

网络与安全

• 网络协议栈：内核实现 TCP/IP 协议（包括 IP、TCP、UDP、ICMP 等），支持网卡驱动、路由表、DNS 解析等，通过 socket 接口供应用程序（如浏览器、服务器）使用。
• 防火墙：基于 netfilter 框架，通过 iptables 或 nftables 配置规则，实现数据包过滤、NAT 转换（如端口映射）等。
• 安全机制 ：
  • 用户与组：通过 UID（用户 ID）和 GID（组 ID）区分权限，root（UID=0）为最高权限用户；
  • 文件权限：每个文件有 r（读）、w（写）、x（执行）权限，分属所有者（u）、所属组（g）、其他用户（o），通过 chmod 修改；
  • SELinux/AppArmor：强制访问控制（MAC）机制，限制进程的操作范围（如禁止 Web 服务读写 /etc/passwd）；
  • PAM（可插拔认证模块）：统一认证接口，支持密码、指纹、密钥等多种认证方式。

挂载（Mount）机制

Linux 文件系统的挂载（Mount）是将存储设备（如硬盘分区、U 盘、光盘、网络存储等）的文件系统与系统目录树中的某个目录（挂载点）关联起来的过程。通过挂载，用户可以像访问本地目录一样访问这些存储设备中的数据。这一机制是 Linux 实现 "单一树形目录结构" 的核心

• 挂载点：一个空目录（如/mnt/usb），挂载后文件系统的内容会显示在该目录下。
• 临时挂载：通过mount命令手动挂载（如mount /dev/sdb1 /mnt/usb挂载 U 盘）。
• 永久挂载：配置/etc/fstab文件，系统开机时自动挂载（每行记录一个文件系统的设备、挂载点、类型、参数等）。

挂载的核心要素

挂载过程需要明确四个关键要素，缺一不可：

• 待挂载设备：通常是存储设备的标识（如硬盘分区 /dev/sda1、U 盘 /dev/sdb、光盘 /dev/cdrom 或网络存储路径）。
• 挂载点（Mount Point）：系统目录树中已存在的空目录（如 /mnt/usb、/media/cdrom）。挂载后，设备文件系统的内容会显示在该目录下（原目录中的内容会被临时隐藏，卸载后恢复）。
• 文件系统类型：设备使用的文件系统格式（如 ext4、xfs、ntfs、vfat 等），内核需通过类型加载对应的驱动。
• 挂载选项：控制文件系统的访问方式（如 rw 读写、ro 只读、noatime 不记录访问时间等）。

基本流程

挂载过程从用户发起请求到内核完成关联，可分为 用户空间操作 和 内核空间处理 两个阶段

1. 用户空间：发起挂载请求
   用户通过 mount 命令（或图形工具）发起挂载，例如：

mount /dev/sdb1 /mnt/usb -t vfat -o rw,utf8

• 该命令的含义：将设备 /dev/sdb1（U 盘分区）以 vfat 格式挂载到 /mnt/usb，选项为 "读写" 和 "支持 UTF-8 编码"。

此时，mount 命令会通过 系统调用（sys_mount） 将请求传递给内核

2. 内核空间：处理挂载请求
   内核接收到挂载请求后，由 VFS（虚拟文件系统） 协调处理：

（1）参数校验

• 检查挂载点是否存在且为目录（若不存在或非目录，返回错误）。
• 检查待挂载设备是否有效（如是否存在、是否已被挂载）。
• 检查用户权限（普通用户通常只能挂载允许的设备，root 无限制）。

（2）加载文件系统驱动

• 内核根据用户指定的文件系统类型（如 -t vfat），加载对应的驱动模块（如 vfat.ko）。
• 若未指定类型（-t 省略），内核会自动探测设备的文件系统格式（通过读取设备的超级块信息）。

（3）解析文件系统超级块（Super Block）

• 内核读取设备的 超级块（文件系统的元数据，存储文件系统大小、块大小、inode 数量等核心信息）。
• 为该文件系统创建 超级块对象（super_block 结构体），保存文件系统的关键参数（如类型、大小、状态等），供 VFS 统一管理。

（4）关联挂载点与文件系统

• 内核在 VFS 层创建 挂载对象（vfsmount 结构体），记录挂载点目录、对应的超级块、挂载选项等信息。
• 将挂载点目录的 dentry（目录项）与文件系统的根目录 dentry 关联，使得访问挂载点目录时，实际指向设备文件系统的根目录。

（5）更新挂载信息

• 内核将新挂载的文件系统加入全局挂载列表（vfsmount_list），供后续查找和管理。
• 若挂载选项包含 remount（重新挂载），则更新已有挂载的参数（如从只读改为读写）。

挂载成功后，用户通过访问挂载点目录（如 /mnt/usb）即可读写设备中的文件，所有操作通过 VFS 转发给对应的文件系统驱动，最终由驱动与硬件交互。