操作系统学习（十三）——Linux

一、Linux

Linux 是一种类 Unix 的自由开源操作系统内核，由芬兰人 Linus Torvalds 于 1991 年首次发布。如今它广泛应用于服务器、桌面、嵌入式设备、移动设备（如 Android）等领域。

设计思想：

原则	描述
模块化与可移植性	Linux 内核高度模块化，可运行在多种硬件架构上（x86, ARM, RISC-V 等）
一切皆文件	包括设备、进程、网络连接，都抽象为文件接口
多用户、多任务	同时支持多个用户和进程，彼此独立
开源与协作开发	遵循 GNU GPL 协议，全世界开发者可参与贡献
安全与权限控制	严格的访问权限和用户隔离机制
稳定与高性能	尤其在服务器环境中表现优越

二、Linux 系统结构

整体架构图：

三、Linux 内核关键子系统

1. 进程管理

• 支持 进程、线程（轻量级进程）；
• 使用 CFS（完全公平调度器） 实现调度；
• 通过 fork()、exec() 等创建和控制进程。

2. 内存管理

• 支持分页、虚拟内存、内存映射（mmap()）；
• 提供交换空间（Swap）；
• 高效的内存分配器（如 SLAB）。

3. 文件系统（VFS）

• 虚拟文件系统（VFS）将具体文件系统（ext4, xfs, FAT32）抽象统一接口；
• 所有资源（文件、设备、网络）通过统一的文件描述符访问；
• 支持挂载机制、权限控制、缓存机制。

4. 设备管理

• 使用字符设备、块设备模型；
• 所有设备映射为 /dev/ 下的特殊文件；
• 支持驱动模块动态加载（modprobe, insmod）。

5. 中断与系统调用

• 异步设备通过中断处理器触发响应；
• 用户空间通过系统调用接口（如 read(), write()）访问内核服务。

6. 网络栈

• 完善的 TCP/IP 协议栈；
• 支持路由、防火墙（iptables、nftables）、VPN、Socket通信等。

四、Linux 内核开发模型

• 内核源码托管在 kernel.org；

• 使用 Git 进行协作，主要分支由 Linus 主持；

• 采用“补丁提交 + 审核合并”方式，全球开发者可贡献代码。

• 内核版本：

  • LTS（长期支持版）；
  • 主线版（每 2-3 月更新一次）。

五、Linux 的发行版（Distros）

Linux 并不是一个完整操作系统，而是内核。
各发行版将内核与各种用户空间工具组合，形成完整系统。

类型	代表发行版	特点
通用桌面	Ubuntu, Fedora, Debian	适合普通用户，有图形界面
服务器	CentOS, RHEL, Ubuntu Server	稳定、安全、适合服务部署
滚动更新	Arch, Manjaro	包新、自由度高，适合高级用户
极简嵌入式	OpenWRT, BusyBox, Alpine	轻量、适合IoT和容器

六、Linux 的优势与挑战

优势：

• 开源免费，灵活定制；
• 安全性好（多用户、权限严格）；
• 社区支持强大，驱动更新快；
• 大量企业应用与云计算依赖（如 Docker、Kubernetes）。

挑战：

• 初学者学习曲线相对陡峭；
• 驱动支持相较 Windows 少（部分专有硬件）；
• 桌面体验（GUI）部分仍不如 macOS/Windows 统一。

七、应用领域

领域	说明
服务器/数据中心	超过 90% 的 Web 服务器、云计算平台使用 Linux
嵌入式系统	路由器、智能电视、工业控制系统广泛使用
Android 手机系统	Android 基于 Linux 内核
超级计算机	全球前 500 台超级计算机几乎全部运行 Linux
开发环境	稳定高效、开发工具丰富，是程序员首选

八、典型命令与工具

• 文件操作：ls, cp, mv, rm, find；
• 权限管理：chmod, chown；
• 软件管理（以 Debian 为例）：apt-get, dpkg；
• 系统查看：top, ps, df, du, free, uptime；
• 编程支持：GCC、Make、GDB、strace、lsof、vim/emacs；
• Shell 编程：bash/zsh。