Linux专题三：目录结构即相关操作指令，gdb调试，进程基础，以及makefile工具

一、Linux 目录结构（类比示例，核心规则）

1. 目录结构类比理解

目录 / 标识	功能说明	类比对象
根目录/	所有文件和目录的起点，是整个文件系统的根节点	学校
/bin	存放基础常用命令（如ls、cp、mkdir），所有用户均可使用	学校公共教室（所有学生可用）
/etc	存放系统全局配置文件，通常仅管理员有权限修改	学校行政办公室（仅老师可用）
/sbin	存放管理员专用命令（如shutdown、ifconfig），普通用户无法直接使用	学校设备控制室（仅管理员可用）
/boot	存放系统启动所需的核心文件（如内核、启动引导程序）	学校大门门禁系统
/dev	存放设备文件，将硬件设备（硬盘、键盘、串口等）抽象为文件进行管理	学校各类教学设备（电脑、投影仪等）
/home	普通用户家目录的根目录，为多用户系统提供独立存储空间	学校宿舍楼
/home/用户名（如/home/zhangsan）	单个用户的专属目录，用户可在此创建、修改、保存个人文件 / 代码	学生个人宿舍

2. 核心操作规则

• 所有代码只能在用户自家目录（/home/用户名）下创建、修改、保存，不可在其他目录随意存放个人文件
• 类比逻辑：Linux 是多用户共用系统，如同多个学生共用一所学校，个人物品（文件 / 代码）只能放在自己的宿舍（家目录），不可乱放在教学楼（/bin、/etc等系统目录）等公共区域

二、文件与目录基础操作指令（复习）

1. 核心基础指令（含功能、格式、示例）

指令	功能说明	格式 / 示例
cd	切换路径；支持特殊路径标识	格式：cd 目标路径；示例：- cd ~（切换到家目录）- cd -（在最近两个位置间切换）- cd .（当前目录，无实际切换效果）- cd ..（返回上一层目录）
ls	显示当前 / 指定目录下的文件 / 目录列表	格式：ls [选项] [目录]；示例：ls -l（详细列出当前目录文件）
pwd	显示当前所在的绝对路径	格式：pwd；示例：pwd（输出：/home/stu）
touch	创建普通空文件；不进入文件编辑界面	格式：touch 文件名；示例：touch a.txt、touch main.c
mkdir	创建目录（文件夹）	格式：mkdir [选项] 目录名；示例：mkdir testdir、mkdir -p a/b/c（多级目录）
cp	拷贝文件 / 目录；拷贝目录需加-r（递归）选项	格式：- 拷贝文件：cp 源文件 目标路径/新文件名- 拷贝目录：cp -r 源目录 目标路径示例：cp a.txt /home/stu/、cp -r testdir /home/stu/backup/
mv	兼具移动文件 / 目录、重命名两种功能	格式 / 示例：- 重命名：mv test.txt new.txt- 移动文件：mv new.txt /home/stu/- 移动目录：mv testdir /home/stu/- 移动并改名：mv a.txt /home/stu/b.txt选项：-i（覆盖前询问）、-f（强制覆盖）、-v（显示详细操作）
rm	删除文件 / 目录；删除目录需加-r，强制删除加-f	格式 / 示例：- 删除文件：rm a.txt- 删除目录：rm -r testdir- 强制删除目录：rm -rf testdir选项：-i（询问操作）、-v（显示详细操作）

2. 文件内容操作指令（查看、合并、统计、搜索）

（1）文件内容查看指令

指令	功能说明	格式 / 示例
cat	1. 打印文件内容；2. 合并多个文件；3. 配合重定向写入 / 追加文件	格式 / 示例：1. 打印文件：cat a.txt、cat a.txt b.txt2. 合并覆盖写入：cat a.txt b.txt > c.txt（c.txt 不存在则自动创建）3. 合并追加写入：cat a.txt b.txt >> c.txt4. 屏幕内容覆盖写入：cat > file1（输入内容后按Ctrl+d结束）5. 屏幕内容追加写入：cat >> file1（输入内容后按Ctrl+d结束）
more	分屏显示文本内容，按窗口分页，空格翻页，查看完毕自动退出；无需滑动鼠标	格式：more 文件名；示例：more test.txt（按空格翻页，按q退出）
less	单页显示文本内容，支持上下键滚动查看，不自动退出，可反复浏览	格式：less 文件名；示例：less test.txt（上下键翻行，按q退出）
tail	查看文件尾部内容，默认 10 行；-n指定行数	格式：tail -n 行数 文件名；示例：tail -n 5 test.txt（最后 5 行）、tail -n 20 test.txt（最后 20 行）
head	查看文件头部内容，默认 10 行；-n指定行数，-c指定字符数	格式 / 示例：- head -n 3 test.txt（前 3 行）- head -n 20 test.txt（前 20 行）- head -c 5 test.txt（前 5 个字符）

（2）文件内容 / 文件搜索指令

指令	功能说明	格式 / 示例
find	按路径、名称、大小等条件搜索文件；默认从当前目录查找	格式 / 示例：1. 按名称搜索：find 起始路径 -name "文件名"（示例：find /home/stu -name main.c）2. 按大小搜索：`find 起始路径 -size +	-n[kMG]（+大于/-小于，k=KB、M=MB、G=GB；示例：find /home -size +10M`）
grep	在文件内搜索匹配的文本信息；匹配内容需用双引号包裹	格式：grep [选项] "匹配信息" 文件名；示例：1. 精准匹配：grep "hello" test.c2. 忽略大小写：grep -i "HELLO" test.c3. 反向匹配（排除目标信息）：grep -v "hello" test.c
管道 `	`	在两个进程间传递数据，将左侧命令结果传递给右侧命令处理，实现复杂功能	格式：` 命令 1	命令 2；示例：ls -l	grep "a.txt"`（先列出详细文件，再过滤出含 a.txt 的信息）

（3）文件统计与对比指令

指令	功能说明	格式 / 示例
wc	统计文件行数、单词数、字符数；-l行数、-w单词数、-c字符数	格式：wc [选项] 文件名；示例：wc -l test.txt（统计行数）、wc -w test.txt（统计单词数）、wc -c test.txt（统计字符数）
cmp	逐字节比较两个文件内容，效率高，适合二进制文件；无差异则无输出，有差异显示首个不同位置	格式 / 示例：1. 基础比较：cmp 文件1 文件22. 跳过 n 个字节后比较：cmp -s n 文件1 文件23. 仅比较前 n 个字节：cmp -n n 文件1 文件24. 查看退出状态：echo $?（0 = 相同、1 = 不同、2 = 错误）

3. 文件压缩与解压指令（tar）

• 核心功能：打包 / 解包、压缩 / 解压文件 / 目录
• 核心选项：
  • c：创建压缩包（打包）
  • x：释放包中内容（解包）
  • z：使用 gzip 格式压缩 / 解压
  • f：指定压缩包文件名
• 常用命令 / 示例：
  • 压缩打包：tar czf my.tar.gz test.c testdir（将 test.c 和 testdir 压缩为 my.tar.gz）
  • 解压解包（一次完成）：tar zxf my.tar.gz（将 my.tar.gz 解压到当前目录）

4. 其他实用指令

指令	功能说明	格式 / 示例
echo	在屏幕上输出指定内容	格式：echo 内容；示例：echo pwd（输出字符串 "pwd"）、echo $?（输出上一个命令的退出状态）
which	查找外部命令对应的程序文件路径；无法查找内部命令	格式：which 命令；示例：which sleep、which gcc
type	查看命令的执行属性（内部命令 / 外部命令）	格式：type 命令；示例：type cd（输出：cd is a shell builtin，内部命令）、type gcc（外部命令）
history	列出之前使用过的所有命令；按上下键可调用历史命令	格式：history
shutdown	关机 / 重启系统，需管理员权限	格式 / 示例：- 立刻关机：shutdown -h now- 立刻重启：shutdown -r now
chmod	修改文件 / 目录的权限（change mode）；权限分为所有者（u）、组员（g）、其他人（o）	格式 / 示例：1. 字符修改法：chmod u+r/g-w/o=x 文件名（+增加、-减少、=赋予）2. 数字修改法：chmod 777 文件名（7=rwx、6=rw-、5=r-x 等）

5. 重定向指令（> / >>）

• 功能：将命令输出写入文件，而非显示在终端
• 分类 / 示例：
  • 覆盖重定向>：将左侧内容覆盖写入右侧文件，文件不存在则创建；示例：cat a.txt > b.txt（将 a.txt 内容覆盖到 b.txt）、cat > file1（屏幕内容覆盖写入 file1）
  • 追加重定向>>：将左侧内容追加到右侧文件末尾，文件不存在则创建；示例：cat a.txt >> b.txt（将 a.txt 内容追加到 b.txt）、cat >> file1（屏幕内容追加写入 file1）

三、vim 编辑器操作

1. 基础模式与切换

• 核心模式：命令模式（默认打开模式）、插入模式、末行模式
• 模式切换：
  • 命令模式 → 插入模式：按i（光标前插入）、a（光标后插入）、o（新建行插入）、I（行首插入）、A（行尾插入）、O（上一行新建插入）
  • 插入模式 / 末行模式 → 命令模式：按Esc键
  • 命令模式 → 末行模式：输入:、?或/

2. 命令模式操作（无需加:，直接执行）

操作功能	指令	补充说明
显示行号	set nu	-
隐藏行号	set nonu	-
复制内容	yy（复制当前行）、nyy（复制 n 行）	-
粘贴内容	p（粘贴到光标后）	-
删除 / 剪切	dd（删除当前行）、ndd（删除 n 行）	删除即剪切，可通过p粘贴
撤销操作	u	撤销上一次操作
恢复撤销	ctrl r	恢复被u撤销的操作
跳转行	G（最后一行）、gg（第一行）、nG/:n（第 n 行）	-
清空内容	cc（清空当前行）、C（从光标清空到行末）	-
查找内容	/str（搜索字符串 str）	n向下查找下一个，N向上查找
搜索高亮	set hlsearch	高亮显示匹配的搜索结果
取消搜索高亮	set nohlsearch	取消高亮显示

3. 末行模式操作（需先输入:进入）

操作功能	指令	补充说明
保存文件	:w	仅保存，不退出 vim
退出 vim	:q	文件未修改时可用
保存并退出	:wq/:x	-
不保存强制退出	:q!	放弃所有修改
显示断点信息	:info break	调试时使用
删除断点	:delete 断点编号	调试时使用

4. gdb 调试操作（针对 debug 版本可执行文件）

• 前提：编译时需添加-g选项生成 debug 版本，Linux 默认是 release 版本
• 核心步骤 / 指令：
  1. 生成 debug 版本：gcc -o main main.c -g
  2. 进入 gdb 调试：gdb main
  3. 调试指令：
     • b 行号/函数名：设置断点（示例：b 5、b main）
     • r：启动程序
     • n：单步执行（不进入函数内部）
     • s：单步执行（进入函数内部；s 函数名直接调用函数，不进入内部）
     • c：继续运行，直到下一个断点（无断点则执行完毕）
     • finish：跳出当前函数
     • p 变量名：打印变量值
     • bt：显示栈堆信息及当前调试位置
     • q：退出 gdb 调试

四、进程管理

1. 进程基础概念

• 进程定义：计算机正在运行中的程序实例，是操作系统资源分配和调度的基本单位
• 进程控制块（PCB）：本质是结构体，操作系统通过双向链表管理所有 PCB（创建进程 = 添加链表节点，关闭进程 = 删除节点）
• 进程 ID（PID）：进程的唯一标识；进程关闭后 PID 会被回收，新进程创建时系统会从小到大分配空闲 PID
• 
• 父子进程：相对概念，进程创建时会生成对应的父子关系
• 命令解释器：bash、shell 均为命令解释器，一个终端对应一个命令解释器
• 前台 / 后台进程（类比示例）：
  • 前台进程：像在餐厅门口打饭并原地就餐，需等自己吃完，后面的人才能打饭；占用终端，需等待进程完成后才能执行后续命令
  • 后台进程：像打饭后去别处就餐，不影响后面的人打饭；不占用终端，进程是否完成不影响后续命令执行

2. 进程操作指令

指令	功能说明	格式 / 示例
ps	显示当前运行的进程	格式 / 示例：- ps（显示当前终端进程）- ps -e/ps -el（列出系统所有进程）
kill	结束指定进程；-9强制结束（部分进程无法正常结束时使用）	格式 / 示例：- 正常结束：kill 1234（1234 为 PID）- 强制结束：kill -9 1234
ctrl c	快速结束当前前台运行的进程	直接在终端按下Ctrl+c组合键
ctrl z	暂停当前前台运行的进程	直接在终端按下Ctrl+z组合键，可通过fg恢复前台运行
后台运行	将进程放到后台运行，不占用终端	格式：命令 &；示例：sleep 300 &（后台运行 300 秒睡眠进程）
jobs	查看后台进程的运行状态及相关指令	格式：jobs
top	实时监控系统进程和资源使用情况，按q退出	格式：top

3. 进程权限说明

• kill指令仅能杀死当前用户创建的进程，无法杀死同级别的其他用户进程
• 管理员（root）有权限杀死所有用户的进程

五、用户管理

1. 用户操作指令（需管理员权限）

指令	功能说明	格式 / 示例
useradd/adduser	添加新用户	格式：useradd 用户名（示例：useradd zhangsan）
userdel/deluser	删除已有用户	格式：userdel 用户名（示例：userdel zhangsan）
passwd	修改用户密码	格式：passwd 用户名；示例：- 普通用户改自己密码：passwd- 管理员改其他用户密码：passwd zhangsan

六、编译链接与工程管理

1. 编译基础认知

• 文件名后缀：Linux 不以文件后缀名区分文件类型，但 C 语言编译器要求源代码必须以.c结尾
• 可执行文件格式：
  • Linux 系统：ELF 格式
  • Windows 系统：PE 格式
• 编译目的：将高级语言转换为计算机可理解的机器指令（机器语言）
• 工程要求：一个工程中有且仅有一个main()函数
• 编译版本：
  • debug（开发调试版本）：包含调试信息，需通过-g选项生成（示例：gcc -o main main.c -g），支持 gdb 调试
  • release（发行版本）：无调试信息，运行速度更快；Linux 默认是 release 版本，Windows 默认是 debug 版本

2. C 语言编译链接四阶段（类比 "造车" 流程）

阶段	功能说明（类比造车）	指令示例	生成文件格式
预编译	将头文件内容拷贝到源文件中（类比：准备所有造车材料，如矿石）	gcc -E main.c -o main.i	.i
编译	将高级语言转换为汇编语言（类比：将矿石加工为钢铁、塑料）	gcc -S main.c -o main.s	.s
汇编	将汇编语言转换为机器语言（二进制目标文件）（类比：将钢铁加工为车架、玻璃）	gcc -c main.c -o main.o	.o/.obj
链接	将多个目标文件和库文件组合为可执行文件（类比：将车架、玻璃组装为完整汽车）	gcc main.o add.o max.o -o main	可执行文件（ELF 格式）

3. 简化编译与多文件编译

• 简化编译（一次完成四阶段）：
  • 格式：gcc -o 可执行文件名 源文件名
  • 示例：gcc -o main main.c、gcc -o hello hello.c
• 多文件编译：
  • 格式：gcc -o 可执行文件名 源文件1.c 源文件2.c ...
  • 示例：gcc -o main main.c add.c max.c（将 main.c、add.c、max.c 编译并链接为 main）

4. 头文件引用

• 尖括号<>：引用系统库头文件，库文件存放于/usr/include目录（示例：#include <stdio.h>）
• 双引号""：引用用户自定义头文件（示例：#include "add.h"）
• 注意：调用其他文件中的自定义函数时，主函数或 makefile 中需声明该函数，否则会报错 "函数无声明或定义"

5. makefile 工具

• 作用**：管理工程，实现自动化编译，无需手动逐个编译多个文件**

• 文件名：makefile或MAKEFILE（首字母大写也可）

• 核心操作：

  • 执行编译：make（按 makefile 中的规则编译工程）
  • 清理编译产物：make clean（删除编译生成的.o文件和可执行文件）

• 格式要求：

  • 核心规则：目标: 依赖文件\n\t命令（注意：命令前必须加tab键，不可用空格替代）

    all: main # 最终生成的可执行文件是main
    main: main.o add.o max.o # main依赖main.o、add.o、max.o
    gcc main.o add.o max.o -o main # 链接命令
    main.o: main.c # main.o依赖main.c
    gcc -c main.c -o main.o # 汇编命令
    add.o: add.c # add.o依赖add.c
    gcc -c add.c -o add.o
    max.o: max.c # max.o依赖max.c
    gcc -c max.c -o max.o
    clean: # 清理规则
    rm -rf *.o main # 删除所有.o文件和main可执行文件

• 额外功能：可一次生成多个可执行文件，按需定义多个目标即可

七、系统基础与硬件交互

1. 硬件组成与交互

• 核心硬件：CPU、硬盘（持久存储）、内存（临时存储）、输入 / 输出设备
• 总线类型：
  • 地址总线：用于硬件寻址
  • 数据总线：用于传输数据
  • 控制总线：用于传输控制信号
• 程序运行流程：
  1. 编译后的文件存储在硬盘中（持久存储，断电数据不丢失）
  2. 运行程序时，系统通过数据总线将文件拷贝到内存中
  3. CPU 从内存中读取机器指令并执行
• 内存特性：断电后数据消失，仅运行中的程序会存于内存，编译 / 未编译的文件默认存于硬盘

2. 基础概念

• 裸机：未安装操作系统的电脑
• 指令：让计算机完成特定操作的命令
• 命令解释器：负责解析用户输入的命令，bash、shell 均为命令解释器，一个终端对应一个命令解释器
• 内部命令与外部命令区别：
  • 内部命令（如cd）：shell 内置，无需创建子进程，效率高；可修改当前 shell 进程环境（如切换目录）
  • 外部命令（如gcc）：独立程序文件，执行时需创建子进程，无法影响父进程环境

八、帮助手册（man）

• 功能：查看命令、库函数、系统调用的帮助文档
• 分类使用：
  • man 1 命令：查看普通命令的帮助（示例：man 1 ls）
  • man 2 库函数：查看库函数的帮助（示例：man 2 printf）
  • man 3 系统调用：查看系统调用的帮助（示例：man 3 open）