树莓派开始，玩转Linux18：完整架构

男娘i 2023-01-17 12:57 155阅读 0赞

## 树莓派开始，玩转Linux18：完整架构 ##

Linux系统可以分为内核和应用程序两个主要部分，但如果细分，内核和应用程序之间，还可以有更精细的模块划分。完整的Linux系统架构，如图所示，下面分别来看Linux架构中的不同部分。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**1.内核模式与系统调用：**

计算机启动之后，Linux的内核程序启动成为一个单一的内核进程。这个单一进程将执行内核的相关功能。内核进程有权调用所有的计算机资源。当应用程序运行时，内核会分配给该应用程序一定的计算机资源。应用程序与硬件之间的互动，也必须经由内核进行。因此，即使是一个应用程序，它的运作也离不开内核。我们把内核程序的活动称为内核模式（Kernel Mode），而把应用程序的活动称为用户模式（UserMode）。

应用程序可以通过特定的接口来调用内核功能。用户单次的内核调用，可以称为一次系统调用（System Call）。接口中的系统调用有大约两百种，每种系统调用都有特定的名称和调用方式。在Shell中输入下面的命令就可以查看Linux下所有的系统调用。

![在这里插入图片描述][20210429154417124.png]  
在Linux最常见的开发语言C中，系统调用都制作成了有特定函数名  
的函数。你可以通过：  
![在这里插入图片描述][20210429154539632.png]  
来查看系统调用read这一系统调用的说明。命令中的2，对应了系统调用类相关的查询。  
命令man定义的几个查询类可以通过下面的命令查看：  
![在这里插入图片描述][20210429154644519.png]  
常见的系统调用如下：

> ·　read，文件读取。  
> ·　write，文件写入。  
> ·　fork，复制当前进程。  
> ·　wait，等待某个进程完成。  
> ·　chdir，改变工作目录。

每次系统调用，用户程序就触发了内核的特定动作。以bash中的内置函数cd为例。  
bash实际上执行的就是进行chdir这个系统调用。系统调用发生后，作为用户进程的bash暂停，操作系统转入内核模式。当内核完成chdir的系统调用后，即更改了进程的工作目录，bash进程将恢复执  
行，程序又重回用户模式。

对于用户程序来说，系统调用是内核的最小功能单位。用户程序不可能调用超越系统调用的内核动作。一个系统调用就像是汉字的一个笔画。任何一个汉字都要由基本的笔画构成，没有人可以臆造笔画。通过系统调用这个接口，Linux实现了内核封装，隐藏了底层的复杂性，也提高了上层应用的可移植性。

**2.库函数：**

系统调用提供的功能非常基础，使用起来很麻烦。一个给变量分配内存空间的简单操作，就需要动用多个系统调用。为了方便，程序员还可以使用上层的库函数（Library Function），来实现特定的"组合拳"。

函数是面向过程语言中复用代码功能的一种方式。所谓的"库"是一个文件，它包含了多个常用函数。在C语言中，我们可以跨文件地调用库中的函数。C语言本身就规定了C标准库（C Standard Library）。之前使用的printf函数，就属于C标准库：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
如果只是使用系统调用来实现上面的程序，那么我们编程的工作量  
就会增加：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
在这个程序中，我们需要手动为文本分配内存空间，并计算文本的长度。而在之前的程序中，这些工作都由printf代劳。此外，printf还可以改变文本输出的格式，并且优化输入和输出的效率，这些都是write系统调用所不具备的。

我们可以用man来查阅库函数的帮助文档。库函数的查询类是3：  
![在这里插入图片描述][20210429155035290.png]  
除了C标准库，Linux系统中还有很多其他的库，比如POSIX标准库。UNIX操作系统都会安装POSIX标准库。函数malloc就是POSIX标准库中的库函数，这个函数常用于内存分配。目录/lib和/lib64下存放着Linux系统自带的库。用户也可以在目录/usr/lib下安装额外的库。这些库函数把程序员从细节中解救出来，极大提高了编程效率。

**3.shell：**

系统调用和库函数是为程序员准备的，普通用户使用的都是编译好的应用程序。在所有应用程序中，Shell的地位相当特殊。在历史上，Shell曾经是Linux用户使用计算机的唯一界面。用户必须在Shell中用命令的方式来运行程序。当然，随着图形化桌面的发展，让用户有了一个新的运行程序的界面。但图形化桌面并不能完全取代Shell的地位。很多程序只能通过Shell的方式启动，比如用于下载的wget。

Shell把Linux系统的很多功能开放给用户。对于有编程能力的高级用户来说，他们当然可以通过系统调用、库函数和C语言编程来完整地发挥Linux系统的能力。在另一个极端，大多数应用程序有其专攻的方向，比如文字编辑、收发邮件、显示网页等。一个应用程序只发挥了操作系统很小的一部分能力。Shell介于两者之间，把相对底层的功能用简单而统一的接口呈现给用户，比如用简单的文本符号"|"来使用管道，又如用内置命令cd来改变Shell的工作目录等。对于编程经验有限的普通用户来说，Shell开放出来的系统功能是福音。由于Shell很简单，又容易和其他应用程序互动，它的开放接口也深受资深程序员的喜爱。

我们也已经看到Shell的可编程性。借着这种可编程性，Shell可以充当不同命令之间的"胶水"，把功能专一的应用程序组合成功能多样的脚本。此外，脚本还可以预设一连串的操作。用户可以把耗时的手工操作编写成Shell脚本，让Linux系统按照脚本的指挥自动运行。很多Linux计算机就是凭着Shell脚本，在无人工干预的情况下长期工作。

**4.用户程序：**

整个架构的最上层就是应用程序。我们已经知道，应用程序是二进制的可执行文件。在/bin和/usr/bin中，我们可以看到不少这样的可执行文件。可执行文件还可以出现在文件系统的其他位置。按照惯例，应用程序所在的目录都被命名为bin。这里的bin是指binary，即二进制。

Linux中大多数可执行文件都是由C语言编写的。当然，你还可以用其他的语言来编写程序，如C++和Fortran。C语言写成的程序是可读的文本，必须经过编译才能生成可执行文件。我们可以用gcc命令把C程序直接编译成可执行文件。但在幕后，gcc实际上要做好几件事。它必须对源代码进行一定的文本处理，把人类可读的文本翻译成机器可读的二进制序列，最后还要找到程序依赖的库文件。  
编译成功后，就可以用Shell运行应用程序。两种运行程序的方式如下。  
·　直接输入程序名，如ls、man、wget。  
·　在应用程序所在的目录中用"./可执行文件名"的方式，比如./a.out。

这两种方式的区别在于，前一类的命令包含在Shell的默认路径中。  
输入这些命令时，Shell会搜索默认路径，直到找到同名的程序并运行。  
默认路径在Shell中保存为一个变量，你可以打印出该默认路径：  
![在这里插入图片描述][20210429160429388.png]  
可以看到，/bin包含在PATH变量中。由于ls程序位于/bin中，因此我们可以不加路径地运行该程序。

如果应用程序所在位置在默认路径之外，那么我们就必须切换工作目录，或者使用完整路径，如：  
![在这里插入图片描述][20210429160607468.png]  
Linux系统提供了一个多层次的互动平台。从应用程序到Shell，再到库函数和系统调用，用户可以一层层地接近底层。越往底层，用户受到的限制越少，能发挥的功能越丰富。

当然，学习难度也越来越大。对于爱好挑战的计算机爱好者来说，这样的"学习升级"过程也充满了趣味。

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