教你看懂 Linux 系统结构

Linux系统一般有4个主要部分：

内核、shell、文件系统和应用程序。内核、shell和文件系统一起形成了基本的操作系统结构，它们使得用户可以运行程序、管理文件并使用系统。部分层次结构如图1-1所示。

在 VFS 上面，是对诸如 open、close、read 和 write 之类的函数的一个通用 API 抽象。在 VFS 下面是文件系统抽象，它定义了上层函数的实现方式。它们是给定文件系统(超过 50 个)的插件。文件系统的源代码可以在 ./linux/fs 中找到。

文件系统层之下是缓冲区缓存，它为文件系统层提供了一个通用函数集(与具体文件系统无关)。这个缓存层通过将数据保留一段时间(或者随即预先读取数据以便在需要是就可用)优化了对物理设备的访问。缓冲区缓存之下是设备驱动程序，它实现了特定物理设备的接口。

因此，用户和进程不需要知道文件所在的文件系统类型，而只需要象使用 Ext2 文件系统中的文件一样使用它们。

5、设备驱动程序

设备驱动程序是 Linux 内核的主要部分。和操作系统的其它部分类似，设备驱动程序运行在高特权级的处理器环境中，从而可以直接对硬件进行操作，但正因为如此，任何一个设备驱动程序的错误都可能导致操作系统的崩溃。设备驱动程序实际控制操作系统和硬件设备之间的交互。

设备驱动程序提供一组操作系统可理解的抽象接口完成和操作系统之间的交互，而与硬件相关的具体操作细节由设备驱动程序完成。一般而言，设备驱动程序和设备的控制芯片有关，例如，如果计算机硬盘是 SCSI 硬盘，则需要使用 SCSI 驱动程序，而不是 IDE 驱动程序。

6、网络接口(NET)

提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。网络接口可分为网络协议和网络驱动程序。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议。众所周知，TCP/IP 协议是 Internet 的标准协议，同时也是事实上的工业标准。

Linux 的网络实现支持 BSD 套接字，支持全部的TCP/IP协议。Linux内核的网络部分由BSD套接字、网络协议层和网络设备驱动程序组成。网络设备驱动程序负责与硬件设备通讯，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序。

7、Linux shell

shell是系统的用户界面，提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。它接收用户输入的命令并把它送入内核去执行，是一个命令解释器。另外，shell编程语言具有普通编程语言的很多特点，用这种编程语言编写的shell程序与其他应用程序具有同样的效果。

目前主要有下列版本的shell。

1.Bourne Shell：是贝尔实验室开发的。

2.BASH：是GNU的Bourne Again Shell，是GNU操作系统上默认的shell,大部分linux的发行套件使用的都是这种shell。

3.Korn Shell：是对Bourne SHell的发展，在大部分内容上与Bourne Shell兼容。

4.C Shell：是SUN公司Shell的BSD版本。

8、Linux 文件系统

文件系统是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法。Linux系统能支持多种目前流行的文件系统，如EXT2、 EXT3、 FAT、 FAT32、 VFAT和ISO9660。

8.1 文件类型

Linux下面的文件类型主要有：

1) 普通文件：C语言元代码、SHELL脚本、二进制的可执行文件等。分为纯文本和二进制。

2) 目录文件：目录，存储文件的唯一地方。

3) 链接文件：指向同一个文件或目录的的文件。

4) 设备文件：与系统外设相关的，通常在/dev下面。分为块设备和字符设备。

5)管道(FIFO)文件 : 提供进程建通信的一种方式

6)套接字(socket) 文件： 该文件类型与网络通信有关

可以通过ls –l, file, stat几个命令来查看文件的类型等相关信息。

8.2 Linux目录

文件结构是文件存放在磁盘等存贮设备上的组织方法。主要体现在对文件和目录的组织上。

目录提供了管理文件的一个方便而有效的途径。

Linux使用标准的目录结构，在安装的时候，安装程序就已经为用户创建了文件系统和完整而固定的目录组成形式，并指定了每个目录的作用和其中的文件类型。

完整的目录树可划分为小的部分，这些小部分又可以单独存放在自己的磁盘或分区上。这样，相对稳定的部分和经常变化的部分可单独存放在不同的分区中，从而方便备份或系统管理。目录树的主要部分有 root、/usr、/var、/home 等(图2) 。这样的布局可方便在 Linux 计算机之间共享文件系统的某些部分。

文件与IO: 每个进程在PCB(Process Control Block)中都保存着一份文件描述符表，文件描述符就是这个表的索引，每个表项都有一个指向已打开文件的指针，现在我们明确一下：已打开的文件在内核中用file结构体表示，文件描述符表中的指针指向file结构体。

在file结构体中维护File Status Flag(file结构体的成员f_flags)和当前读写位置(file结构体的成员f_pos)。在上图中，进程1和进程2都打开同一文件，但是对应不同的file结构体，因此可以有不同的File Status Flag和读写位置。file结构体中比较重要的成员还有f_count，表示引用计数(Reference Count)，后面我们会讲到，dup、fork等系统调用会导致多个文件描述符指向同一个file结构体，例如有fd1和fd2都引用同一个file结构体，那么它的引用计数就是2，当close(fd1)时并不会释放file结构体，而只是把引用计数减到1，如果再close(fd2)，引用计数就会减到0同时释放file结构体，这才真的关闭了文件。

每个file结构体都指向一个file_operations结构体，这个结构体的成员都是函数指针，指向实现各种文件操作的内核函数。比如在用户程序中read一个文件描述符，read通过系统调用进入内核，然后找到这个文件描述符所指向的file结构体，找到file结构体所指向的file_operations结构体，调用它的read成员所指向的内核函数以完成用户请求。在用户程序中调用lseek、read、write、ioctl、open等函数，最终都由内核调用file_operations的各成员所指向的内核函数完成用户请求。

file_operations结构体中的release成员用于完成用户程序的close请求，之所以叫release而不叫close是因为它不一定真的关闭文件，而是减少引用计数，只有引用计数减到0才关闭文件。对于同一个文件系统上打开的常规文件来说，read、write等文件操作的步骤和方法应该是一样的，调用的函数应该是相同的，所以图中的三个打开文件的file结构体指向同一个file_operations结构体。如果打开一个字符设备文件，那么它的read、write操作肯定和常规文件不一样，不是读写磁盘的数据块而是读写硬件设备，所以file结构体应该指向不同的file_operations结构体，其中的各种文件操作函数由该设备的驱动程序实现。

每个file结构体都有一个指向dentry结构体的指针，“dentry”是directory entry(目录项)的缩写。我们传给open、stat等函数的参数的是一个路径，例如/home/akaedu/a，需要根据路径找到文件的inode。为了减少读盘次数，内核缓存了目录的树状结构，称为dentry cache，其中每个节点是一个dentry结构体，只要沿着路径各部分的dentry搜索即可，从根目录/找到home目录，然后找到akaedu目录，然后找到文件a。dentry cache只保存最近访问过的目录项，如果要找的目录项在cache中没有，就要从磁盘读到内存中。

每个dentry结构体都有一个指针指向inode结构体。inode结构体保存着从磁盘inode读上来的信息。在上图的例子中，有两个dentry，分别表示/home/akaedu/a和/home/akaedu/b，它们都指向同一个inode，说明这两个文件互为硬链接。inode结构体中保存着从磁盘分区的inode读上来信息，例如所有者、文件大小、文件类型和权限位等。每个inode结构体都有一个指向inode_operations结构体的指针，后者也是一组函数指针指向一些完成文件目录操作的内核函数。

和file_operations不同，inode_operations所指向的不是针对某一个文件进行操作的函数，而是影响文件和目录布局的函数，例如添加删除文件和目录、跟踪符号链接等等，属于同一文件系统的各inode结构体可以指向同一个inode_operations结构体。

inode结构体有一个指向super_block结构体的指针。super_block结构体保存着从磁盘分区的超级块读上来的信息，例如文件系统类型、块大小等。super_block结构体的s_root成员是一个指向dentry的指针，表示这个文件系统的根目录被mount到哪里，在上图的例子中这个分区被mount到/home目录下。

file、dentry、inode、super_block这几个结构体组成了VFS的核心概念。对于ext2文件系统来说，在磁盘存储布局上也有inode和超级块的概念，所以很容易和VFS中的概念建立对应关系。而另外一些文件系统格式来自非UNIX系统(例如Windows的FAT32、NTFS)，可能没有inode或超级块这样的概念，但为了能mount到Linux系统，也只好在驱动程序中硬凑一下，在Linux下看FAT32和NTFS分区会发现权限位是错的，所有文件都是rwxrwxrwx，因为它们本来就没有inode和权限位的概念，这是硬凑出来的。

8.6 挂载文件系统

linux系统中每个分区都是一个文件系统，都有自己的目录层次结构。linux会将这些分属不同分区的、单独的文件系统按一定的方式形成一个系统的总的目录层次结构。这里所说的“按一定方式”就是指的挂载。

将一个文件系统的顶层目录挂到另一个文件系统的子目录上，使它们成为一个整体，称为挂载。把该子目录称为挂载点.

例如要读取硬盘中的一个格式化好的分区、光盘或软件等设备时，必须先把这些设备对应到某个目录上，而这个目录就称为“挂载点(mount point)”，这样才可以读取这些设备。 挂载后将物理分区细节屏蔽掉，用户只有统一的逻辑概念。所有的东西都是文件。

注意：1、挂载点必须是一个目录。

2、一个分区挂载在一个已存在的目录上，这个目录可以不为空，但挂载后这个目录下以前的内容将不可用。

对于其他操作系统建立的文件系统的挂载也是这样。但是需要理解的是：光盘、软盘、其他操作系统使用的文件系统的格式与linux使用的文件系统格式是不一样的。光盘是ISO9660;软盘是fat16或ext2;windows NT是fat16、NTFS;windows98是fat16、fat32;windows2000和windowsXP是fat16、fat32、 NTFS。挂载前要了解linux是否支持所要挂载的文件系统格式。

挂载时使用mount命令，其格式：mount [-参数] [设备名称] [挂载点]

其中常用的参数有

-t 指定设备的文件系统类型(什么提到的文件类型)

-o 指定挂载文件系统时的选项。有些也可用在/etc/fstab中。常用的有

codepage=XXX 代码页iocharset=XXX 字符集ro 以只读方式挂载rw 以读写方式挂载nouser 使一般用户无法挂载user 可以让一般用户挂载设备

例如：

1.挂载windows的文件系统：

1)首先我们使用sudo fdisk -l查看挂载的设备，例如最下面有：/dev/hda5

2)mkdir创建一个目录，这里的目录是作为挂在目录，就是你要把E盘挂到这个目录下：mk /mnt/winc

3)windows和linux使用的不是一个文件系统，一般情况下linux不挂载windows文件系统，所以要你手动mount：

# mount -t vfat /dev/hda5 /mnt/winc ( -t vfat指出这里的文件系统fat32)

现在就可以进入/mnt/winc等目录读写这些文件了。

2.挂载光盘：# mk /mnt/cdrom

# mount -t iso9660 /dev/cdrom /mnt/cdrom (关盘的名字一般都是cdrom，这条命令一般都通用)

3.虚拟机共享文件夹：例如在VirtualBox下，主机是Windows，Ubuntu是Guest。共分三步：

1). 首先要安装虚拟电脑工具包：在VirtualBox的菜单里选择”设备”->”安装虚拟电脑工具包”，你会发现在Ubuntu桌面上多出一个光盘图标，这张光盘默认被自动加载到了文件夹/media/cdom0，而且/cdrom自动指向这个文件夹。默认设置下文件管理器会自动打开这张光盘，可以看到里面有个”VBoxLinuxAdditions.run”文件。打开一个命令行终端，依次输入”cd /cdrom”和”sudo sh ./VBoxLinuxAdditions.run”，不含双引号，开始安装工具包。安装完毕，会用英文提示要重启Ubuntu，建议立刻重启。重启后，比较明显的变化是鼠标是共享模式，并且剪贴板也和Windows共享了。如果有这些变化，说明虚拟电脑工具包已经装成功。

2). 下一步设置共享文件夹。

在共享文件夹设置窗口中，单击右侧的”添加一个共享文件夹”，路径选择你想要共享的Windows文件夹，共享名任取一个自己喜欢的，比如”myshare”，选项read-only是指是否只允许ubuntu读这个文件夹，请根据需要选择这个选项。

3). 在ubuntu下挂载这个共享文件夹:sudo mount -t vboxsf myshare /media/share

其中”myshare”是之前取的共享文件夹的名字，”/media/share”是要挂载到的目标文件.

8.7 自动挂载windows分区

每次开机访问windows分区都要运行mount命令显然太烦琐，为什么访问其他的linux分区不用使用mount命令呢?

其实，每次开机时，linux自动将需要挂载的linux分区挂载上了。那么我们是不是可以设定让linux在启动的时候也挂载我们希望挂载的分区，如windows分区，以实现文件系统的自动挂载呢?

这是完全可以的。在/etc目录下有个fstab文件，它里面列出了linux开机时自动挂载的文件系统的列表。我的/etc/fstab文件如下：

/dev/hda2 / ext3 defaults 1 1/dev/hda1 /boot ext3 defaults 1 2none /dev/pts devpts gid=5,mode=620 0 0none /proc proc defaults 0 0none /dev/shm tmpfs defaults 0 0/dev/hda3 swap swap defaults 0 0/dev/cdrom /mnt/cdrom iso9660 noauto,codepage=936,iocharset=gb2312 0 0/dev/fd0 /mnt/floppy auto noauto,owner,kudzu 0 0/dev/hdb1 /mnt/winc vfat defaults,codepage=936,iocharset=cp936 0 0/dev/hda5 /mnt/wind vfat defaults,codepage=936,iocharset=cp936 0 0

在/etc/fstab文件里，第一列是挂载的文件系统的设备名，第二列是挂载点，第三列是挂载的文件系统类型，第四列是挂载的选项，选项间用逗号分隔。第五六列不知道是什么意思，还望高手指点。

在最后两行是我手工添加的windows下的C;D盘，加了codepage=936和iocharset=cp936参数以支持中文文件名。参数defaults实际上包含了一组默认参数：

rw 以可读写模式挂载

suid 开启用户ID和群组ID设置位

dev 可解读文件系统上的字符或区块设备

exec 可执行二进制文件

auto 自动挂载

nouser 使一般用户无法挂载

async 以非同步方式执行文件系统的输入输出操作

大家可以看到在这个列表里，光驱和软驱是不自动挂载的，参数设置为noauto。(如果你非要设成自动挂载，你要确保每次开机时你的光驱和软驱里都要有盘，呵呵。)

8.8 .软连接、硬链接

可以用ln命令对一个已经存在的文件再建立一个新的连接，而不复制文件的内容。连接有软连接和硬连接之分，软连接又叫符号连接。它们各自的特点是：

硬连接：是给文件一个副本，原文件名和连接文件名都指向相同的物理地址。目录不能有硬连接;硬连接不能跨越文件系统(不能跨越不同的分区)文件在磁盘中只有一个拷贝，节省硬盘空间;

修改其中一个，与其连接的文件同时被修改。如果删除其中任意一个其余的文件将不受影响。

由于删除文件要在同一个索引节点属于唯一的连接时才能成功，因此可以防止不必要的误删除。

符号连接(软连接)：用ln -s命令建立文件的符号连接符号连接是linux特殊文件的一种，作为一个文件，它的数据是它所连接的文件的路径名。类似windows下的快捷方式。

当然删除这个连接，也不会影响到源文件，但对连接文件的使用、引用都是直接调用源文件的。

具体关系可以看下图：

图5：软链接和硬链接

从图上可以看出硬链接和软链接的区别：

1：硬链接原文件和新文件的inode编号一致。而软链接不一样。2：对原文件删除，会导致软链接不可用，而硬链接不受影响。3：对原文件的修改，软、硬链接文件内容也一样的修改，因为都是指向同一个文件内容的。

8.9.文件目录管理命令

磁盘和文件空间 ：fdisk df du

文件目录与管理： cd pwd mkdir rmdir ls cp rm mv

查看文件内容 cat、tac、more、less、head 、tail

文件目录与权限 ：chmod chown chgrp umask

文件查找：which、whereis、locate、find、find

9、Linux 应用

标准的Linux系统一般都有一套都有称为应用程序的程序集，它包括文本编辑器、编程语言、X Window、办公套件、Internet工具和数据库等。

10、Linux内核参数优化

内核参数是用户和系统内核之间交互的一个接口，通过这个接口，用户可以在系统运行的同时动态更新内核配置，而这些内核参数是通过Linux Proc文件系统存在的。因此，可以通过调整Proc文件系统达到优化Linux性能的目的。

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