Linux系统结构

Linux之所以能稳定高效地运行，其优秀的系统结构设计功不可没，在深入研究如何使用Linux命令行和shell之前，最好先了解一下Linux系统的构成。

首先，Linux可划分为以下四部分：

• Linux内核
• GNU工具
• Linux桌面环境
• 应用软件

每一部分在Linux系统中各司其职。但就单个部分而言，其作用并不大。上图是一个基本结构框图，展示了各部分是如何协作起来构成整个Linux系统的。

本文将详细介绍这四部分，然后概述它们如何通过协作构成一个完整的Linux系统。

1 Linux内核

Linux系统的核心是内核。内核控制着计算机系统上的所有硬件和软件，在必要时分配硬件，并根据需要执行软件。

如果你一直都在关注Linux世界，肯定听说过Linus Torvalds。Linus还在赫尔辛基大学上学时就开发了第一版Linux内核。起初他只是想仿造一款Unix系统而已，因为当时Unix操作系统在很多大学都很流行。

Linus完成了开发工作后，将Linux内核发布到了互联网社区，并征求改进意见。这个简单的举动引发了计算机操作系统领域内的一场革命。很快，Linus就收到了来自世界各地的学生和专业程序员的各种建议。

如果谁都可以修改内核程序代码，那么随之而来的将是彻底的混乱。为了简单起见，Linus担当起了所有改进建议的把关员。能否将建议代码并入内核完全取决于Linus。时至今日，这种概念依然在Linux内核代码开发过程中沿用，不同的是，现在是由一组开发人员来做这件事，而不再是Linus一个人。

内核主要负责以下四种功能：

• 系统内存管理
• 软件程序管理
• 硬件设备管理
• 文件系统管理

下文将会进一步探究以上每一种功能。

1.1 系统内存管理

操作系统内核的主要功能之一就是内存管理。内核不仅管理服务器上的可用物理内存，还可以创建和管理虚拟内存（即实际并不存在的内存）。

内核通过硬盘上的存储空间来实现虚拟内存，这块区域称为交换空间（swap space）。内核不断地在交换空间和实际的物理内存之间反复交换虚拟内存中的内容。这使得系统以为它拥有比物理内存更多的可用内存（如下图所示）。

内存存储单元按组划分成很多块，这些块称作页面（page）。内核将每个内存页面放在物理内存或交换空间。然后，内核会维护一个内存页面表，指明哪些页面位于物理内存内，哪些页面被换到了磁盘上。

内核会记录哪些内存页面正在使用中，并自动把一段时间未访问的内存页面复制到交换空间区域（称为换出，swapping out）——即使还有可用内存。当程序要访问一个已被换出的内存页面时，内核必须从物理内存换出另外一个内存页面给它让出空间，然后从交换空间换入请求的内存页面。显然，这个过程要花费时间，拖慢运行中的进程。只要Linux系统在运行，为运行中的程序换出内存页面的过程就不会停歇。

1.2 软件程序管理

Linux操作系统将运行中的程序称为进程。进程可以在前台运行，将输出显示在屏幕上，也可以在后台运行，隐藏到幕后。内核控制着Linux系统如何管理运行在系统上的所有进程。

内核创建了第一个进程（称为init进程）来启动系统上所有其他进程。当内核启动时，它会将init进程加载到虚拟内存中。内核在启动任何其他进程时，都会在虚拟内存中给新进程分配一块专有区域来存储该进程用到的数据和代码。

一些Linux发行版使用一个表来管理在系统开机时要自动启动的进程。在Linux系统上，这个表通常位于专门文件/etc/inittab中。

另外一些系统（比如现在流行的Ubuntu Linux发行版）则采用/etc/init.d目录，将开机时启动或停止某个应用的脚本放在这个目录下。这些脚本通过/etc/rcX.d目录下的入口（entry）启动，这里的X代表运行级（run level）。

Linux操作系统的init系统采用了运行级。运行级决定了init进程运行/etc/inittab文件或/etc/rcX.d目录中定义好的某些特定类型的进程。Linux操作系统有5个启动运行级。

运行级为1时，只启动基本的系统进程以及一个控制台终端进程。我们称之为单用户模式。单用户模式通常用来在系统有问题时进行紧急的文件系统维护。显然，在这种模式下，仅有一个人（通常是系统管理员）能登录到系统上操作数据。

标准的启动运行级是3。在这个运行级上，大多数应用软件，比如网络支持程序，都会启动。另一个Linux中常见的运行级是5。在这个运行级上系统会启动图形化的X Window系统，允许用户通过图形化桌面窗口登录系统。

Linux系统可以通过调整启动运行级来控制整个系统的功能。通过将运行级从3调整成5，系统就可以从基于控制台的系统变成更先进的图形化X Window系统。

1.3 硬件设备管理

内核的另一职责是管理硬件设备。任何Linux系统需要与之通信的设备，都需要在内核代码中加入其驱动程序代码。驱动程序代码相当于应用程序和硬件设备的中间人，允许内核与设备之间交换数据。在Linux内核中有两种方法用于插入设备驱动代码：

• 编译进内核的设备驱动代码
• 可插入内核的设备驱动模块

以前，插入设备驱动代码的唯一途径是重新编译内核。每次给系统添加新设备，都要重新编译一遍内核代码。随着Linux内核支持的硬件设备越来越多，这个过程变得越来越低效。不过好在Linux开发人员设计出了一种更好的将驱动代码插入运行中的内核的方法。

开发人员提出了内核模块的概念。它允许将驱动代码插入到运行中的内核而无需重新编译内核。同时，当设备不再使用时也可将内核模块从内核中移走。这种方式极大地简化和扩展了硬件设备在Linux上的使用。

Linux系统将硬件设备当成特殊的文件，称为设备文件。设备文件有3种分类：

• 字符型设备文件
• 块设备文件
• 网络设备文件

字符型设备文件是指处理数据时每次只能处理一个字符的设备。大多数类型的调制解调器和终端都是作为字符型设备文件创建的。块设备文件是指处理数据时每次能处理大块数据的设备，比如硬盘。

网络设备文件是指采用数据包发送和接收数据的设备，包括各种网卡和一个特殊的回环设备。这个回环设备允许Linux系统使用常见的网络编程协议同自身通信。

Linux为系统上的每个设备都创建一种称为节点的特殊文件。与设备的所有通信都通过设备节点完成。每个节点都有唯一的数值对供Linux内核标识它。数值对包括一个主设备号和一个次设备号。类似的设备被划分到同样的主设备号下。次设备号用于标识主设备组下的某个特定设备。

1.4 文件系统管理

不同于其他一些操作系统，Linux内核支持通过不同类型的文件系统从硬盘中读写数据。除了自有的诸多文件系统外，Linux还支持从其他操作系统（比如Microsoft Windows）采用的文件系统中读写数据。内核必须在编译时就加入对所有可能用到的文件系统的支持。下表列出了Linux系统用来读写数据的标准文件系统。
文件系统描述extLinux扩展文件系统，最早的Linux文件系统ext2第二扩展文件系统，在ext的基础上提供了更多的功能ext3第三扩展文件系统，支持日志功能ext4第四扩展文件系统，支持高级日志功能hpfs0S/2高性能文件系统jfsIBM日志文件系统iso9660IS09660文件系统(CD-ROM)minixMINIX文件系统msdos微软的FAT16ncpNetware文件系统nfs网络文件系统ntfs支持Microsoft NT文件系统proc访问系统信息ReiserFS高级Linux文件系统，能提供更好的性能和硬盘恢复功能smb支持网络访问的Samba SMB文件系统sysV较早期的Unix文件系统ufsIBSD文件系统umsdos建立在msdos上的类Unix文件系统vfatWindows 95文件系统(FAT32)XFS高性能64位日志文件系统
Linux服务器所访问的所有硬盘都必须格式化成上标所列文件系统类型中的一种。
Linux内核采用虚拟文件系统（Virtual File System，VFS）作为和每个文件系统交互的接口。这为Linux内核同任何类型文件系统通信提供了一个标准接口。当每个文件系统都被挂载和使用时，VFS将信息都缓存在内存中。

2 GNU系统工具

除了由内核控制硬件设备外，操作系统还需要工具来执行一些标准功能，比如控制文件和程序。Linus在创建Linux系统内核时，并没有可用的系统工具。然而他很幸运，就在开发Linux内核的同时，有一群人正在互联网上共同努力，模仿Unix操作系统开发一系列标准的计算机系统工具。

GNU组织（GNU是GNU’s Not Unix的缩写）开发了一套完整的Unix工具，但没有可以运行它们的内核系统。这些工具是在名为开源软件（open source software，OSS）的软件理念下开发的。

开源软件理念允许程序员开发软件，并将其免费发布。任何人都可以使用、修改该软件，或将该软件集成进自己的系统，无需支付任何授权费用。将Linus的Linux内核和GNU操作系统工具整合起来，就产生了一款完整的、功能丰富的免费操作系统。

尽管通常将Linux内核和GNU工具的结合体称为Linux，但你也会在互联网上看到一些Linux纯粹主义者将其称为GNU/Linux系统，藉此向GNU组织所作的贡献致意。

2.1 核心GNU工具

GNU项目的主旨在于为Unix系统管理员设计出一套类似于Unix的环境。这个目标促使该项目移植了很多常见的Unix系统命令行工具。供Linux系统使用的这组核心工具被称为coreutils（core utilities）软件包。

GNU coreutils软件包由三部分构成：

• 用以处理文件的工具
• 用以操作文本的工具
• 用以管理进程的工具

这三组主要工具中的每一组都包含一些对Linux系统管理员和程序员至关重要的工具。本专栏将详细介绍GNU coreutils软件包中包含的所有工具。

2.2 shell

GNU/Linux shell是一种特殊的交互式工具。它为用户提供了启动程序、管理文件系统中的文件以及运行在Linux系统上的进程的途径。shell的核心是命令行提示符。命令行提示符是shell负责交互的部分。它允许你输入文本命令，然后解释命令，并在内核中执行。

shell包含了一组内部命令，用这些命令可以完成诸如复制文件、移动文件、重命名文件、显示和终止系统中正运行的程序等操作。shell也允许你在命令行提示符中输入程序的名称，它会将程序名传递给内核以启动它。

你也可以将多个shell命令放入文件中作为程序执行。这些文件被称作shell脚本。你在命令行上执行的任何命令都可放进一个shell脚本中作为一组命令执行。这为创建那种需要把几个命令放在一起来工作的工具提供了便利。

在Linux系统上，通常有好几种Linux shell可用。不同的shell有不同的特性，有些更利于创建脚本，有些则更利于管理进程。所有Linux发行版默认的shell都是bash shell。bash shell由GNU项目开发，被当作标准Unix shell——Bourne shell（以创建者的名字命名）的替代品。bash shell的名称就是针对Bourne shell的拼写所玩的一个文字游戏，称为Bourne again shell。

除了bash shell，本专栏还将介绍其他几种常见的shell。下表列出了Linux中常见的几种不同shell。
shell描述ash一种运行在内存受限环境中简单的轻量级shell, 但与bash shell完全兼容korn一种与Bourne shel1兼容的编程sell,但支持如关联数组和浮点运算等一些高级的编程特性tcsh一种将c语言中的一些元素引入到she11脚本中的shellzsh种结合了bash. tcsh和korn的特性, 同时提供高级编程特性、共享历史文件和主题化提示符的高级shell
大多数Linux发行版包含多个shell，但它们通常会采用其中一个作为默认shell。如果你的Linux发行版包含多个shell，就请尽情尝试不同的shell，看看哪个能满足你的需要。

3 Linux桌面环境

在Linux的早期（20世纪90年代初期），能用的只有一个简单的Linux操作系统文本界面。这个文本界面允许系统管理员运行程序，控制程序的执行，以及在系统中移动文件。

随着Microsoft Windows的普及，电脑用户已经不再满足于对着老式的文本界面工作了。这推动了OSS社区的更多开发活动，Linux图形化桌面环境应运而生。

完成工作的方式不止一种，Linux一直以来都以此而闻名。在图形化桌面上更是如此。Linux有各种图形化桌面可供选择。

3.1 KDE桌面

KDE（K Desktop Environment，K桌面环境）最初于1996年作为开源项目发布。它会生成一个类似于Microsoft Windows的图形化桌面环境。如果你是Windows用户，KDE就集成了所有你熟悉的功能。下图展示了运行在openSuSE Linux发行版上的KDE 4桌面。
所有的面板功能都和你在Windows上看到的类似。除了桌面功能，KDE项目还开发了大量的可运行在KDE环境中的应用程序。

3.2 GNOME桌面

GNOME（the GNU Network Object Model Environment，GNU网络对象模型环境）是另一个流行的Linux桌面环境。GNOME于1999年首次发布，现已成为许多Linux发行版默认的桌面环境。

虽然GNOME决定不再沿用Microsoft Windows的标准观感（look-and-feel），但它还是集成了许多Windows用户习惯的功能。
下图展示了CentOS 7 Linux发行版和Ubuntu20采用的GNOME桌面。

3.3 其他桌面

图形化桌面环境的弊端在于它们要占用相当一部分的系统资源来保证正常运行。在Linux发展之初，Linux的标志和卖点之一就是它可以运行在处理能力较弱的老旧PC上，这些PC无力运行较新的微软桌面。然而随着KDE和GNOME桌面环境的普及，情况发生了变化。运行KDE或GNOME桌面要占用的内存资源和微软的最新桌面环境旗鼓相当。

如果你的PC已经有些年代了，也不要泄气。Linux开发人员已经联手让Linux返璞归真。他们开发了一些低内存开销的图形化桌面应用，提供了能够在老旧PC上完美运行的基本功能。尽管这些图形化桌面环境并没有大量专为其设计的应用，但它们仍然能运行许多基本的图形化程序，支持如文字处理、电子表格、数据库、绘图以及多媒体等功能。

下表列出了一些可在配置较低的PC和笔记本电脑上运行的轻量级Linux图形化桌面环境。
桌面描述Fluxbox一个没有面板的轻型桌面，仅有一个可用来启动程序的弹出式菜单Xfce和KDE很像的一个桌面，但少了很多图像以适应低内存环境JWMJoe的窗口管理器(Joe’ s Window Manager) ，非常适用于低内存低硬盘空间环境的超轻型桌面FVwm支持如虚拟桌面和面板等高级桌面功能，但能够在低内存环境中运行Fvwm95从FVwm衍生生而来， 但看起来更像是Windows 95桌面
这些图形化桌面环境并不如KDE或GNOME桌面一样绚丽，但却提供了恰到好处的基本图形化功能。下图展示了Puppy Linux 发行版所采用的JWM桌面的外观。

4 Linux应用软件

Linux上不仅运行了如Vim、Git、Docker等用于编程的软件，也有用于日常办公或娱乐的软件，如下图展示了CentOS7 自带的火狐浏览器、文本编辑器、计算器。

当前国内大部分的常用软件，如QQ、WPS、搜狗输入法、百度网盘、网易云音乐、腾讯视频等都提供了Linux系统的版本。

以上应用软件都是通过GNU工具和Linux桌面环境运行在Linux内核之上，是Linux系统直接与用户交互的一部分，极大的丰富和扩展了Linux系统的用途。

5 小结

当前众多的Linux发行版之间的差异主要集中在后三个方面，而所用的Linux内核都是一样的。
上述四部分互相配合，一起构成了一个我们日常使用的Linux。我们对Linux的学习也应该从上述四个方面着手。