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Linux基础教程（1）操作系统基础清华大学计算机基础教育课程系列教材汤荷美董渊李莉程志锐编著总目录第1部分Linux操作系统第1章操作系统概述第2章处理机管理第3章存储管理第4章调度第5章设备第6章文件系统第2部分操作系统命令及shell编程第7章Linux基本命令第8章使用vi编辑文件第9章shell编程第3部分系统管理第10章Linux系统软件的获取和安装第11章账号管理第12章文件系统管理第13章TCP/IP网络管理第14章备份与恢复第15章XWindow及Genie应用程序第1部分Linux操作系统第1章操作系统概述1.1操作系统简介1.2操作系统接口1.3操作系统功能1.4操作系统结构1.5Linux操作系统介绍1.6Linux的内核特征1.7Linux的发展及展望1.8小结习题操作系统是计算机系统的基本系统软件。软件系统中操作系统是所有软件的核心。操作系统负责控制、管理计算机的所有软件、硬件资源，是惟一直接和硬件系统打交道的软件，是整个软件系统的基础部分，同时还为计算机用户提供良好的界面。因此，操作系统直接面对所有硬件、软件和用户，它是协调计算机各组成部分之间、人机之间关系的重要软件系统。Linux是在日益普及的Internet上迅速形成和不断完善的操作系统。Linux操作系统高效、稳定，适应多种硬件平台，而最具有魅力的是它遵循GPL（GNUGeneralPublicLicense，GNU通用公共许可证，见附录），整个系统的源代码可以自由获取，并且在GPL许可的范围内自由修改、传播，这就为学习、应用、开发操作系统及其他软件提供了良好的基础和较高的起点。本章首先介绍操作系统的概念、功能及其结构，接着介绍Linux系统的基本特征、发展现状，并以此为基础，讨论现代操作系统的一般特点和发展趋势。1.1操作系统简介1.1.1操作系统概念一种非形式的定义如下：操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它是这样一些程序模块的集合——它们管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，以便有效地利用这些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。普通用户使用操作系统，是把操作系统当作一个资源管理者，通过系统提供的系统命令和界面操作等工具，以某种易于理解的方式完成系统管理功能，有效地控制各种硬件资源，组织自己的数据，完成自己的工作并和其他人共享资源。对于程序员来讲，操作系统提供了一个与计算机硬件等价的扩展或虚拟的计算平台。操作系统提供给程序员的工具除了系统命令、界面操作之外，还有系统调用，系统调用抽象了许多硬件细节，程序可以以某种统一的方式进行数据处理，程序员可以避开许多具体的硬件细节，提高程序开发效率，改善程序移植特性。整个计算机系统可以认为是按照一定规则分层构建的，我们可以使用图1.1来示意性地描述这种层次结构。图1.1计算机系统层次结构示意图1.1.2操作系统发展简介操作系统是随着计算机硬件的发展，围绕着如何提高计算机系统资源的利用率和改善用户界面的友好性而形成，发展和不断成熟完善的。随着计算机硬件的发展，计算机的计算速度越来越快，其高速的数据处理与低速的手工操作之间的矛盾日益突出，传统的手工操作是系统的最大制约因素，昂贵的计算机硬件资源得不到有效的利用。一个重要的技术是批处理，专门的操作人员把用户提交的任务按照一定的类别、顺序组织起来，形成作业序列，这些作业成批地在专门的监督程序控制之下自动执行。这里的监督程序就是操作系统的雏形。最初的批处理系统中，计算机内存中仍然只有一个程序在运行，总体系统的效率仍然没有发挥出来。解决这个问题的措施称为多道技术。多道程序设计技术使得在内存中有多个程序，保证系统的处理器总是处于工作状态，极大地提高了系统的利用率。多道技术开始使用在批处理系统中，称为多道批处理系统，这样的系统效率高，但是，在脱机批处理情况下，高效带来的问题是用户对自己作业的控制程度降低。针对这个问题的方案是分时技术。分时系统把处理机的运行时间分成时间片，按照时间片轮流把处理机分配给每一个联机用户。由于每一个时间片很短，宏观上来看，所有用户同时操作计算机，各自独立控制自己的作业。与分时系统相对应，还有一种实时(realtime)操作系统，控制计算机对外来信息进行快速处理，要求系统在允许的时间范围之内做出响应。同时具有多道批处理、分时、实时处理功能，或者其中两种以上功能的系统，称为通用操作系统。Linux操作系统就是具有内嵌网络功能的多用户分时系统。它兼有多道批处理和分时处理功能，是一个典型的通用处理系统。一方面强调分布式计算和处理，另一方面强调物理上跨越不同的主机系统、逻辑上紧密耦合构成统一完整的操作系统平台，这样的系统就是分布式操作系统(distributedoperatingsystem)。这是当前操作系统发展的一个方向。当前，计算机微型化和专业化趋势已成事实。这两种发展趋势都产生了一个共同的需求，即嵌入式软件。嵌入式软件也需要操作系统平台的支持，这样的操作系统就是嵌入式操作系统。嵌入式软件系统的规模小，相应地，其操作系统的规模也小。嵌入式软件的应用平台之一是各种电器，这样的系统面向普通家庭和个人用户，由于快速发展的网络市场，使得家用电器的市场比传统的计算机市场大很多。因此，嵌入式软件可能成为21世纪信息产业的支柱之一，嵌入式操作系统也必将成为软件厂商争夺的焦点，成为操作系统发展的另一个热门方向。1.2操作系统接口操作系统在整个软件系统中处于中心地位，负责控制、管理计算机的所有软件、硬件资源，它屏蔽了很多具体的硬件细节，对计算机用户提供统一、良好的界面（或称为接口，interface）。本节介绍操作系统的接口界面，下一节主要介绍操作系统的管理功能。在计算机层次结构中，操作系统通过接口向上层用户提供各种服务，而上层用户通过操作系统接口来访问硬件。操作系统提供的接口可以根据服务对象的不同而划分为两类：一是程序级的接口，提供给程序员使用，即系统调用；二是作业级的接口，提供给用户使用，即操作命令。1.2.1程序员级接口系统调用是一组由操作系统提供的广义指令。应用程序通过系统调用来操纵系统内核中特定的函数,当应用程序需要进行文件访问、网络传输等操作时，必须通过系统调用来完成。程序员在设计应用程序时，涉及到系统资源，都必须使用系统调用来实现，可以说，系统调用是操作系统提供给程序员的惟一接口。系统调用可以根据功能划分为不同的类型。熟悉系统调用是一个优秀程序员必备的条件。1.2.2用户级接口操作系统提供给用户使用的接口是操作命令，用户可以使用这些操作命令来组织和控制作业的执行或者管理整个计算机系统。实际上，计算机的操作命令界面是在系统调用的基础上开发而成的。操作系统发展的主要方向除了提高系统资源利用率之外，就是改善用户界面友好性。图形用户界面是操纵命令界面发展的一个里程碑。图形用户界面，降低了计算机操作的门槛，千万个家庭成为计算机普及的对象。现在流行的操作系统一般都同时提供图形和文本用户界面。Linux系统就是如此，文本界面是shell接口，图形界面是XWindow系统。1.3操作系统功能多用户分时系统，按照其功能划分为处理机管理、存储管理、设备管理、信息管理（文件系统管理），对于现代流行的操作系统，还具有完整的网络管理功能。这些管理功能都是由操作系统内核实现的。1.3.1处理机管理作业、进程需要适当的分配、调度，以便协调相互关系，共享有限的处理机资源，这是处理机管理的主要内容。处理机管理是操作系统管理功能的关键，操作系统功能的一个主要指标即是提高处理机的使用率，让处理机尽可能处于工作状态。1.3.2存储管理存储管理的目标是让有限的物理内存尽可能满足应用程序对内存的需求。存储管理的内容包括内存的扩充、分配、保护等。操作系统多采用了称为“虚拟内存”的内存管理方式。内存一般采用部分分配的办法。通常，内存中总是同时存放了多个正在运行的程序实体，即进程，在运行的过程中，他们之间可能会使用到相同内存位置的内容，这种技术称为内存共享，这样，可以提高内存的利用率。但是，必须要确保各进程所占据的内存的独立和完整性。1.3.3设备管理除了CPU和内存之外，计算机的其他部件都统称为外部设备。这些设备在操作系统的控制下协调工作，共同完成信息的输入、存储和输出任务。操作系统要对所有的设备进行管理。一方面，让每一个设备尽可能发挥自己的特长，实现与CPU和内存的数据交换，提高外部设备的利用率。另一方面，隐蔽设备操作的具体细节，对用户提供一个统一、友好的设备使用界面。和处理机及内存相比，外部设备的速度要慢得多，而且性能差别大，类型品种多，因此，设备管理是一项复杂而又重要的工作。1.3.4文件系统操作系统在控制、管理硬件的同时，也必须管理好软件资源。操作系统的文件系统就是针对计算机的软件资源而进行的。文件系统主要提供以下服务：文件存取,使每个用户能够对自己的文件进行快速的访问、修改和存储。文件共享,指提供某种手段，使存储空间只保存一个副本,而所有授权用户能够共同访问这些文件。文件保护,指提供保护系统资源防止非法使用的手段。1.3.5网络管理计算机的发展已经进入了互联网时代，现在流行的操作系统一般都具有内嵌的网络功能，能够在内核级别控制、管理网络。操作系统一般都提供网络通信和网络服务等基本功能。内核中网络部分，主要实现网络设备控制和网络协议，因此，网络管理也就集中在通信这部分。1.4操作系统结构本节简单介绍操作系统的逻辑结构，然后介绍操作系统发展过程中使用过的几种主要的体系结构。1.4.1操作系统的逻辑结构计算机系统可以理解为是分层构造的。从逻辑关系来理解，操作系统本身也可以用层次结构来描述。可以认为至少有4层，从上到下依次为：面对用户的外部接口，硬件无关的内核部分，与硬件相关的内核部分，面对硬件的外部接口。可以简单地用图1.2来描述。这种层次结构可以看作是操作系统纵向的结构。图1.2操作系统逻辑层次示意图操作系统也可根据不同的管理功能划分为功能模块。一种简单的理解是，操作系统本身划分为功能模块，而每个模块分层构造，形成一个纵横交错的结构。1.4.2操作系统的体系结构软件的体系结构描述系统各部分软件以及它们相互之间的关系,是软件内部结构配置的一种抽象描述。软件体系结构定义各部分软件系统的应用界面规范及相互操作和数据通信的协议和限制。体系结构相对稳定、满足应用需求，同时具有适当的可适应性和可扩充性。1.模块结构模块结构是将操作系统内核按照功能划分为一个个单独的模块，模块之间相对独立，只能通过预先规定好的接口方式来调用，它们共享数据，模块是系统设计和实现的基本单位。每一个模块实现一个完整单独的功能，所有模块之间相互调用，共同构成一个完整的系统内核。模块结构最大的优点是效率高。模块式结构中，操作系统的逻辑层次关系具体由调用层次关系来体现。这种结构的主要问题一是全局函数使用多，造成访问控制困难；二是结构不够清晰，系统的可理解性、可维护性和可移植性都比较差。2.层次结构层次结构的方法把操作系统内核按照一定的规则划分为一系列相互依赖的层次，每个层次也可以分解为一系列更小的模块，模块负责完成一部分特定的功能，只能与相邻的层次发生直接的联系，所有这些层次的组合，就实现了整个系统。实际上，层次结构可以理解为一种特殊的模块式结构。层次结构可以大大方便系统的移植和扩充。把系统内核划分为严格的层次结构，为了满足有序的层次调用关系，必然要牺牲部分灵活性和系统效率。3.对象结构对象也可以理解为一种特殊的模块，它是由一组数据集以及定义在其上的操作集封装而成。对象结构方法中，操作系统内核按照内核对象实体组织，每个内核对象实体都有自己的数据和操作，对象之间通过消息传递来协调工作。对象模块具有很强的独立性，因此也具有很好的复用性能。对象模块可以方便有效地控制内部数据的访问属性，充分地隐藏信息，达到资源保护的目的。采用对象结构，系统的开发难度降低，具有良好的扩展性和移植性，同时有较好的安全功能。对象结构操作系统内核的一个严重问题是