第1章 Linux操作系统概述.docx

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第1章Linux操作系统概述

第1章Linux操作系统概述

1.1什么是操作系统？

计算机根据指令来自动执行任务。

计算机程序指一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合。

而计算机软件=程序+数据+文档。

计算机硬件指的是计算机的物理部件，包括主板、处理器、磁盘、键盘、鼠标、显示器、打印机、网卡等。

一般认为，计算机硬件包括五大基本单元，分别是输入单元、输出单元、算术逻辑单元、控制器和存储单元。

算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）也成为运算器，它是计算机对数据进行加工处理的部件，包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非、异或、比较等）。

 控制器负责从存储单元中取出指令，并对指令进行译码；根据指令的要求，按时间的先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地工作，一步一步地完成各种操作。

控制器和运算器组合在一起称为中央处理器CPU（Central Processing Unit，简称 CPU）。

存储单元是计算机记忆或暂存数据的部件。

计算机中的全部信息（包括数据和指令）都存放在存储单元中。

存储单元分为主存（内存）和外存两种，外存包括硬盘、U盘、SD卡等。

所有的单元都是由CPU内部的控制单元来负责协调和进行计算，CPU进行计算和判断的数据都来自于内存，因此内存的容量会影响整个系统的性能。

CPU的一个参数为CPU的指令一次可以读写的最大数据量，32位CPU指的是指令一次最多读取32位的数据，而64位CPU则指的是一次最多读取64位的数据。

一个32位的CPU访问的内存地址=

，即4GB。

存储单元由许多半导体器件组成，这些器件可以存储一个比特的数据（1或者0）。

计算机系统采用二进制运算，存储单元一般以8个比特（bit）即一个字节byte为单位（1B=8b）。

由于存储单元的容量一般比较大，进一步引入了kilo、mega等。

6GB的内存大小实际为6*1024*1024*1024=6442450944字节。

进制

Kilo

Mega

Giga

Tera

Peta

二进制

十进制

需要注意的是硬盘厂商在标注容量时采用十进制为单位，比如500GB，实际上是500*1000*1000*1000Byte。

而在计算机内显示时采用二进制，因此容量为466GB。

目前硬盘主要有两大类，分别是机械硬盘HDD（HardDiskDrive）和固态硬盘SSD（SolidStateDrive）。

主要的尺寸为3.5英寸（一般用于台式机）和2.5英寸（一般用于笔记本电脑和移动硬盘）。

HDD采用磁性碟片来存储，由磁盘和读取部件等组成。

早期硬盘采用与软盘类似的结构，由重叠的一组磁盘构成。

当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道（Track）。

磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，即扇区（sector），它是磁盘读写的基本单位，每一条磁道都具有相同的扇区数。

早期一个扇区一般为512个字节，现在也支持4K字节。

一个磁盘一般包括正反两面，磁头（Head）给出了是哪个盘片的哪一面。

具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。

这样硬盘的读写采用3D寻址方式CHS，即Cylinder（柱面）、Head（磁头）、Sector（扇区），Head表示硬盘有只要知道了硬盘的CHS的数目，即可确定硬盘的容量，硬盘的容量=柱面数*磁头数*扇区数*512B。

老式硬盘中，由于每个磁道的扇区数相等，所以外道的记录密度要远低于内道，因此会浪费很多磁盘空间，人们改用等密度结构生产硬盘。

也就是说，外圈磁道的扇区比内圈磁道多，采用这种结构后，硬盘不再具有实际的3D参数，寻址方式也改为逻辑块寻址LBA（Logicalblockaddressing），这是一种线性寻址，即以扇区为单位进行寻址。

为了与使用3D寻址兼容，硬盘控制器内部安装了一个地址翻译器，由它负责将老式3D参数翻译成新的线性参数。

这样用户可以选择硬盘的不同工作模式，比如LBA、LARGE、NORMAL等。

硬盘与主板之间的接口包括IDE（PATA）、SCSI、SATA、IDE，而USB和eSATA接口用于外接移动硬盘、U盘等。

IDE（IntegratedDriveElectronics）接口也称为PATA（ParallelAdvancedTechnologyAttachment），采用传统的40-pin并口数据线，传输速率最大133MB/s。

由于并口线的抗干扰性太差，且排线占空间，不利计算机散热，逐渐被SATA所取代。

SATA（SerialATA）采用串行连接方式，具备更强的纠错能力，传输速率150MB/s。

最新的版本为SATA3.0，传输速率可达600MB/s。

SCSI（SmallComputerSystemInterface）接口并不是转为硬盘设计的接口，而是一种高速数据传输技术，具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低，以及热插拔等优点主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。

光纤通道（FibreChannel）为多硬盘系统环境而设计的，能满足高端工作站、服务器、海量存储子网络、外设间通过集线器、交换机和点对点连接进行双向、串行数据通讯等系统对高数据传输率的要求。

SAS（SerialAttachedSCSI）即串行连接SCSI，是新一代的SCSI技术，通过采用串行技术以获得更高的传输速度，并通过缩短连结线改善内部空间等。

固态硬盘SDD采用闪存颗粒来存储，相比机械硬盘，读写速度更快，低功耗、无噪音、轻便、防震抗摔，但是价格更贵，容量也要小。

什么是操作系统？

操作系统是计算机运行的总控制程序，管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源，为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境，从而在计算机与用户之间起到接口作用。

内核（kernel）是操作系统的核心，当计算机启动时，经过一个引导（bootstrap）过程来初始化计算机，加载操作系统，最后启动一个操作系统内核程序。

内核程序一直运行，管理计算机的资源，为用户提供服务。

考虑到有各种各样的硬件，因此内核通过驱动程序来管理和使用硬件，而应用程序通过系统调用接口来使用内核提供的服务来访问资源。

所有的操作系统除了内核外，还提供大量的系统程序以供使用，其中最重要的程序是为用户提供使用计算机的界面（UserInterface）的程序，一般会提供一个基于文本的用户界面（称为shell或者命令行）和一个基于图形的用户界面GUI（GraphicalUserInterface）。

除此之外还包括许多实用工具。

所以操作系统=内核+系统程序。

目前常用的操作系统包括MicrosoftWindows、MacintoshOS、Unix、Linux、Android和IOS等。

操作系统

1.2Linux历史

1965年，美国电话电报公司（AT&T）旗下的贝尔实验室（Bell）、麻省理工学院（MIT）及通用电器（GE）共同发起了Multics（MultiplexedInformationandComputingSystem）的计划，为大型机开发一个多用户多任务操作系统。

1969年贝尔实验室退出了该研究计划。

但是贝尔实验室的一个研究人员KenThompson有一个在Multics上开发的游戏SpaceTravel，回到Bell实验室后找到了一台空闲的DEC公司制造的微型计算机PDP-7，为了能够继续玩SpaceTravel，在该机器上开发了一个简单的小型操作系统，命名为UNICS（UniplexedInformationandComputingSystem），后来改名为Unix。

后来他们获得了一台较新的PDP-11，在当时PDP-11最大瓶颈之一是一次只能运行一个程序，1973年KenThompson和DennisRitchie（第一个C语言编译器的作者）一起将UNIX移植到PDP-11,用C语言重写了UNIX内核，在移植过程中将UNIX改造成一个支持多用户的分时系统，在1974年发布了UNIX第五版，1974年7月在CommunicationsoftheACM上发表了操作系统领域最重要的一篇论文“TheUNIXTime-sharingSystem”。

1975年KenThompson前往加州伯克利分校（UniversityofCaliforniaatBerkeley）进行一年的交流访问，同一年AT&T公司正式将UNIX许可给大学使用。

1977年，伯克利分校的BillJoy（后来创办了Sun公司）等创建和发布（1978年）了第一版的BSD（BerkeleySoftwareDistribution）。

1982年发布的4.1BSD支持TCP/IP，从而得到了广泛的使用，1983年发布了4.2BSD。

1979年AT&T公司意识到了UNIX系统的价值，宣布将UNIX作为一个商业产品进行销售，不再允许公司之外的人自由查看系统的源代码，同时要求所有的BSD用户购买相应的源代码License。

1982年AT&T发布了第一个商业版本UNIXSystemIII，1983年发布了SystemV。

在此后出现了两个UNIX的分支，分别是SYSV和BSD，两者非常类似，只是在文件系统结构、系统程序名称选项以及系统调用库有少许不同。

由于Unix的可移植性与强大的性能，许多商业公司包括HP、IBM、DEC、Sun、SCO等也为自己生产的硬件发布了各自的Unix操作系统。

由于AT&T要求用户购买源代码许可证，BSD对于AT&T的商业化运作不满，开始完全重写所有基于AT&T公司代码的内核和系统程序，最终BillJolitz和他的妻子LynneJolitz在1992年发布了一个开放源码的完全和AT&T无关的操作系统，称为386/BSD，很快流行起来。

由于BillJolitz拥有一份全职工作，没有时间处理所有的补丁和增强，于是一组志愿者接管了这项工作，同时将该操作系统重新命名为FreeBSD。

FreeBSD只能运行在PC硬件上，一些志愿者成立了新的小组将FreeBSD移植到其他类型的计算机上，该小组提供的版本称为NetBSD。

20世纪90年代中期，NetBSD进一步分出另一个分支来关注安全和密码学问题，其发布的版本称为OpenBSD。

1979年之后需要源代码License才能查看UNIX源代码，这使得大学里的操作系统学习再也无法采用UNIX了。

荷兰的AndrewTanenbaum教授从头构建了一个新的与UNIX类似但非常小的操作系统Minix（MinimalUnix），1987年发行了第一版本，Minix迅速成为学习操作系统以及体验操作系统的最佳工具。

之后许多程序员希望能够对官方版本进行增强，但是Tanenbaum否决了大部分请求，其坚持Minix应该是一个简单的操作系统，适合于教学需要。

1985年RichardStallman启动了一个称为自由软件基金会FSF（FreeSoftwareFoundation），其认为“计算机用户应该能够自由地修改软件以适应自己的需求，并且自由共享软件“，所谓”自由软件“指的是任何人都可以对自由软件进行检查、修改、共享以及发行，但是其并不排斥对于自由软件的服务或者发行进行收费。

为了避免混淆，自由软件现在称为开放源代码软件（OpenSourceSoftware）。

由于计算机的核心是操作系统，所以FSF的第一个目标是创建一个可以自由共享和修改的操作系统，这个类Unix操作系统的项目的名称被命名为GNU，注意其是“GNU’sNotUnix”的首字母缩写词，发音为Guh-NOO，或直接字母发音。

到20世纪80年代末，作为GNU项目的一部分，包括编辑器Emacs、C编译器gcc、C++编译器g++、调试器gdb、UnixShellBash等实用工具逐步发布，但是一直没有发布一个成型的类Unix内核（GNUHurd内核）。

1991年芬兰Helsinki大学计算机科学系的二年级学生LinusTorvalds在阅读了Tanenbaum的操作系统书籍以及附录中的12000行源代码后，编写了一个工作在PC机上的新的类UNIX操作系统内核，命名为Linux（来源于Linus'sUnix的缩写，发音为[ˈlɪnəks]）。

Linux内核采用了FSF的GPL许可证，这样允许志愿者参与修改及扩展，同时Linus也尽可能快地发布新版本的内核，这使得Linux迅速变得非常流行。

Linux吸纳了Unix两大分支的优点，采用SYSV风格的启动文件样式和BSD风格的文件系统布局，支持SYSV、BSD以及IEEE的POSIX（PortableOperatingSystemInterface）系统调用。

操作系统内核可以分为两大类，分别是规模较大的单内核（monolithickernel）和规模较小的微内核（microkernel）。

微内核只执行最基本的任务，其他功能需要调用其它称为服务器的程序，由于采用模块化设计，容易理解，而且更易于定制和更新。

单内核中所有的功能在一个程序中完成，速度比较快。

Linux内核以及大多数Unix系统采用单内核的设计，不过MINIX采用微内核设计，1992年Tanenbaum批评Linux单内核已经落伍了，从而引发了与Linus之间的一场争论。

严格来讲，Linux指的是一个操作系统内核，一个完整的操作系统还需要包括其他实用工具。

人们提供的基于Linux内核的操作系统称为Linux发行版（Distribution）。

大多数Linux发行版使用FSF的GNU实用工具，所以Linux操作系统称为GNU/Linux可能更为恰当。

除了Linux和Unix操作系统外，目前比较流行的操作系统还包括微软的Windows系列以及Apple的MacintoshOSX。

OSX实际上基于Unix，采用基于Mach的微内核，可以通过Terminal窗口来访问Unix命令行。

在移动互联网平台上主要的操作系统为Android和苹果公司的IOS。

Android系统基于Linux，采用了Linux内核，在其上引入了一个框架来支持移动应用。

Linux是目前使用最为广泛的操作系统，在Internet下的许多服务和应用都是工作在Linux系统之上。

Linux也被广泛应用于嵌入式系统上，比如手机、平板电脑、路由器、电视和游戏机等。

Linux也可以作为日常的桌面系统来使用，绝大部分Linux发行版安装时都可以选择相应的桌面环境，比如GNOME和KDE等。

你会发现在Windows或者Mac系统中所使用的主要的桌面应用程序在Linux中都有相应的应用程序。

对于那些不能在Linux中使用的应用程序（比如部分Windows应用），你也可以通过安装wine来运行Windows应用。

当然需要指出的是，尽管Linux系统提供了桌面环境，但是目前桌面环境中仍然是Windows占据绝对的领先地位。

德国慕尼黑政府在2003年宣布1.4万台政府电脑从Windows切换到Linux，并且在2013年完成切换，但是仅仅几年之后，最近准备回归到Windows，预计在2020年前全部切换回Linux。

这也显示了Linux在桌面领域面临的艰巨挑战。

Linux桌面的市场份额在2%左右，而Windows大约是90%。

但是在服务器、移动市场和物联网市场等领域，Linux占据了绝对的领导地位。

微软的Windows10也提供了可选的WindowsSubsystemforlinux，可以直接运行Linux应用程序。

1.3许可证

从上面的描述可以看到，Linux和FreeBSD都支持PC机，而且重写BSD的工作实际上要更早一些。

为什么最终Linux占了主导地位？

一个原因是Linux要早于FreeBSD正式发布（Linus在实现Linux之前并不知道BillJolitz的工作，也幸好不知道，否则可能Linus不会自己来编写Linux内核了），其次Linux采用GPL许可证，更加鼓励共享。

GPL（GNUPublicLicense）是Linux以及其他许多开源软件遵循的许可证协议，它主要包括如下内容：

●软件最初的作者保留版权

●其他人可以修改后销售该软件，也可以在此基础上开发新的软件。

但必须保证这份源代码向公众开放。

●经过修改的软件仍然要受到GPL的约束，除非能够确定经过修改的部分是独立于原来作品的。

●如果软件在使用中引起了损失，开发人员不承担相关责任。

BSD许可证没有GPL那么严格，给予使用者很大自由，包括可以自由地使用和修改源代码，也可以将修改后的代码作为开源或者专有软件再发布。

但"为所欲为"的前提是必须在源代码或者二进制文件中包含原有代码中的BSD协议。

正是由于BSD许可证非常灵活，许多公司在选用开源产品的时候都首选BSD协议，因为可以完全控制这些第三方的代码，在必要的时候可以修改或者二次开发。

除了GPL和BSD许可证外，后来还出现了MIT、LGPL、Apache、Mozilla许可证，这些许可证之间的区别在于修改源代码之后是否允许闭源，是否每个文件必须有版权说明等，具体区别如下图所示：

1.3Linux发行版

如果你是一个Linux的深度极客（geek），那么你可以编译一个Linux内核，然后整合GNU的实用工具以及其他开源程序，搭建一个完整的系统。

但是对于普通用户而言，这是一个非常困难的任务。

许多个人或者机构开始提供基于Linux的操作系统即Linux发行版，通过相应的安装程序就可以得到一个可以工作的Linux系统，一个Linux发行版包括Linux内核、GNU库和实用工具、桌面环境、各种应用软件，提供一个用来简化系统初始安装的安装工具、软件安装升级的软件包管理工具和详细的用户手册。

到目前为止大概有700多个发行版，目前300个左右的发行版仍然活跃（

1993年PatrickVolkerding创建了Slackware发行版，其重点在系统的稳定性和简洁性，它是第一个得到广泛使用的发行版，也是目前活跃的发行版中最古老的。

Debian发行版在1993年由IanMurdock创建，在DebianManifesto中，宣布将以开源的方式，本着Linux及GNU的精神发行一套GNU/Linux发行版。

Debian是为数极少的纯社区驱动的Linux发行版，而不是由商业公司或者政府机构所掌控。

Debian的软件被打包成deb格式，以便于安装、卸载和升级。

包管理系统名为dpkg（底层），前端工具有apt、aptitude和图形界面管理工具等。

Debian的包管理系统是其最出色的特性，深受其用户的喜爱和赞赏。

SUSE（发音/ˈsuːsə/）是第一个由商业公司发布的发行版，基于Slackware，目的是为德国用户提供量身定制的Linux，在很长一段时期是欧洲使用最为广泛的发行版之一。

第一个正式版本在1994年发布，该公司后来在2004年被Novell公司收购。

RedHat是美国Redhat公司于1994年发布的发行版，使用非常广泛，采用RPM包管理系统。

RedHat公司将其产品分为两个系列，一个是免费的RedHatLinux，另外一个是企业版本RHEL（RedHatEnterpriseLinux），需要license，由RedHat公司提供服务。

RedHat公司后来停止发行RedHatLinux，转而赞助FedoraProject来发行社区版本Fedora，对于用户而言，Fedora是一套功能完备、更新快速的免费操作系统，而对赞助者RedHat公司而言，它是许多新技术的测试平台，被认为可用的技术最终会加入到RedHatEnterpriseLinux中。

由于用户使用RHEL时需要付费才能获得RedHat的服务和技术支持，CentOS（CommunityEnterpriseOperatingSystem）的开发者使用RHEL的源代码进行再编译获得一个和RHEL近乎相同的Linux。

但是一切和RedHat有关的商标都被去除了，最初的版本在2004年发布。

许多希望搭建企业级应用平台，但是又不需要RedHat公司服务支持的团队会选择CentOS发行版。

CentOS的技术支持主要通过社区的官方邮件列表、论坛和聊天室。

2014年RedHat公司宣布与CentOSProject合作，帮助开发CentOS。

Ubuntu（/ʊˈbuːntʊ/uu-BOON-tuu,中文名乌班图）由MarkShuttleworth（马克·舍特尔沃斯）的公司Canonical提供支持，基于Debian的不稳定分支，其首个版本于2004年发布，Ubuntu每六个月便会发布一个新版，其命名规则为发行日期。

Ubuntu的开发目的是为了使个人电脑变得简单易用，同时也提供针对企业应用的服务器版本。

Ubuntu也许是使用最为广泛的发行版之一，大大促进了Linux桌面应用的发展。

Gentoo最初由DanielRobbins（FreeBSD的开发者之一）创建，采用与FreeBSDports类似的称为Portage包管理系统，其首个稳定版本发布于2002年。

Gentoo的出名是因为其高度的自定制性：

因为它是一个基于源代码的发行版。

尽管安装时可以选择预先编译好的软件包，但是大部分使用Gentoo的用户都选择自己手动编译,从而可以针对硬件进行优化，拥有优秀的性能。

这也是为什么Gentoo适合比较有Linux使用经验的老手使用的原因。

LinuxMint由LinuxMintTeam团队于2006年开始发行,基于Debian和Ubuntu,目的是为家庭用户和企业提供一个免费的、易用的、舒适而优雅的桌面操作系统。

LinuxMint可以在一个单系统的电脑上运行，但是它也可以自动检测安装的其他操作系统，设置多引导方式，同时也允许访问其他操作系统的分区。

LinuxMint提供一种更完整的即刻可用体验，这包括提供浏览器插件、多媒体编解码器、对DVD播放的支持、Java和其他组件，它也增加了一套定制桌面及各种菜单,一些独特的配置工具，以及一份基于web的软件包安装界面,目前已经成为全球桌面用户的首选之一。

Android是Google公司为平板和手机等移动设备设计的操作系统，构建在Linuxkernel之上，采用Dalvik虚拟机和Android应用框架为APP提供支持。

发行版

网址

说明

Slackware

第一个得到广泛使用的发行版

Debian

www.debian.org

纯社区驱动的Linux发行版，包管理工具dpkg

SUSE

德国Suse公司发布，其社区版本为openSUSE

Fedora

www.fedoraproject.org

RedHat公司赞助的社区发行版，包管理工具rpm

RHEL

RedHat公司发布的企业发行版

CentOS

www.centos.org

RHEL再编译后的企业社区版，RedHat公司提供支持

Ubuntu

www.ubuntu.org

基于Debian不稳定分支的发行版，很长一段时间是桌面用户的首选之一

Gentoo

www.gentoo.org

基于源代码的发行版，采用Portage包管理。

LinuxMint

基于Debian和Ubuntu的发行版，桌面用户的首选之一

有这么多发行版，到底如何选择呢？

如果你是一个桌面型用户，建议选择Lin