Linux系统架构概述

一、Unix&Linux架构

严格意义上，操作系统定义为：控制计算机硬件资源的软件，同时提供坏境让程序可以运行。

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

内核的接口是一个软件层，称之为系统调用（如上图中的阴影部分），通用库函数是建立在系统调用接口之上，应用程序可以自由的使用这两者。Shell是一种特殊的应用程序，它提供接口来运行其他的应用程序。广义上来说，操作系统是内核和所有其他的软件的集合，这些软件使得计算机能够发挥作用，并给予计算机以独有的特性。其他的软件包括系统工具，应用程序，shells，通用函数库等等。

二、系统调用

为了方便调用内核，Linux将内核的功能接口制作成系统调用（system call）。系统调用看起来就像C语言的函数。你可以在程序中直接调用。Linux系统有两百多个这样的系统调用。用户不需要了解内核的复杂结构，就可以使用内核。系统调用是操作系统的最小功能单位。一个操作系统，以及基于操作系统的应用，都不可能实现超越系统调用的功能。一个系统调用函数就像是汉字的一个笔画。任何一个汉字都要由基本的笔画（点、横、撇等等）构成，我们不能臆造笔画。

在命令行中输入$man 2 syscalls可以查看所有的系统调用。你也可以通过$man 2 read来查看系统调用。在这两个命令中的2都表示我们要在2类（系统调用类）中查询（具体各个类是什么可以通过$man man看到），详见linux下使用man命令查看系统调用。

系统调用提供的功能非常基础，所以使用起来很麻烦。一个简单的给变量分配内存空间的操作，就需要动用多个系统调用。Linux定义一些库函数（library routine）来将系统调用组合成某些常用的功能。上面的分配内存的操作，可以定义成一个库函数（像malloc（）这样的函数）。再比如说，在读取文件的时候，系统调用要求我们设置好所需要的缓冲。我可以使用Standard IO库中的读取函数。这个读取函数既负责设置缓冲，又负责使用读取的系统调用函数。使用库函数对于机器来说并没有效率上的优势，但可以把程序员从细节中解救出来。库函数就像是汉字的偏旁部首，它由笔画组成，但使用偏旁部首更容易组成字，比如“铁”。当然，你也完全可以不使用库函数，而直接调用系统函数，就像“人”字一样，不用偏旁部首。

三、Linux内核

Linux内核是世界上最大的开源项目之一,内核是与计算机硬件接口的易替换软件的最低级别。它负责将所有以“用户模式”运行的应用程序连接到物理硬件，并允许称为服务器的进程使用进程间通信(IPC)彼此获取信息。

内核是操作系统的核心，具有很多最基本功能，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。Linux 内核由如下几部分组成：内存管理、进程管理、设备驱动程序、文件系统和网络管理等。如图：

四、Linux shell

shell是一个特殊的应用。很多用户将它称为命令行。shell是一个命令解释器（interpreter），当我们输入“ls -l”的时候，它将此字符串解释为
　　1、在默认路径找到该文件（/bin/ls），
　　2、执行该文件，并附带参数“-l”。

Shell接着通过系统调用指挥内核，实现具体的重定向或者管道。在没有图形界面之前，shell充当了用户的界面，当用户要运行某些应用时，通过shell输入命令，来运行程序。shell是可编程的，它可以执行符合shell语法的文本。这样的文本叫做shell脚本（script）。可以在架构图中看到，shell下通系统调用，上通各种应用，同时还有许多自身的小工具可以使用。Shell脚本可以在寥寥数行中，实现复杂的功能。
　　UNIX的一条哲学是让每个程序尽量独立的做好一个小的功能。而shell充当了这些小功能之间的“胶水”，让不同程序能够以一个清晰的接口（文本流）协同工作，从而增强各个程序的功能。这也是Linux老鸟鼓励新手多用shell，少用图形化界面的原因之一。
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。

一个使用bash shell的终端

　　一个shell对应一个终端（terminal）。曾经来说，终端是一个硬件设备，用来输入并显示输出。如今，由于图形化界面的普及，终端往往就像上图一样，是一个图形化的窗口。你可以通过这个窗口输入或者输出文本。这个文本直接传递给shell进行分析解释，然后执行。
　　最后，我们进入一般的应用。应用是一个程序，它可以
　　1.直接调用系统函数
　　2.调用库函数
　　3.运行shell脚本
　　这些应用可以由多种语言开发。最常见的是C语言。

五、Linux 文件系统

Linux 系统能够支持的文件系统非常多，除 Linux 默认文件系统 Ext2、Ext3 和 Ext4 之外，还能支持 fat16、fat32、NTFS（需要重新编译内核）等 Windows 文件系统。也就是说，Linux 可以通过挂载的方式使用 Windows 文件系统中的数据。Linux 所能够支持的文件系统在 "/usr/src/kemels/当前系统版本/fs" 目录中（需要在安装时选择），该目录中的每个子目录都是一个可以识别的文件系统。

文件系统	描述
Ext	Linux 中最早的文件系统，由于在性能和兼容性上具有很多缺陷，现在已经很少使用
Ext2	是 Ext 文件系统的升级版本，Red Hat Linux 7.2 版本以前的系统默认都是 Ext2 文件系统。于 1993 年发布，支持最大 16TB 的分区和最大 2TB 的文件（1TB=1024GB=1024x1024KB)
Ext3	是 Ext2 文件系统的升级版本，最大的区别就是带日志功能，以便在系统突然停止时提高文件系统的可靠性。支持最大 16TB 的分区和最大 2TB 的文件
Ext4	是 Ext3 文件系统的升级版。Ext4 在性能、伸缩性和可靠性方面进行了大量改进。Ext4 的变化可以说是翻天覆地的，比如向下兼容 Ext3、最大 1EB 文件系统和 16TB 文件、无限数量子目录、Extents 连续数据块概念、多块分配、延迟分配、持久预分配、快速 FSCK、日志校验、无日志模式、在线碎片整理、inode 增强、默认启用 barrier 等。它是 CentOS 6.3 的默认文件系统
swap	swap 是 Linux 中用于交换分区的文件系统（类似于 Windows 中的虚拟内存)，当内存不够用时，使用交换分区暂时替代内存。一般大小为内存的 2 倍，但是不要超过 2GB。它是 Linux 的必需分区
NFS	NFS 是网络文件系统（Network File System）的缩写，是用来实现不同主机之间文件共享的一种网络服务，本地主机可以通过挂载的方式使用远程共享的资源
iso9660	光盘的标准文件系统。Linux 要想使用光盘，必须支持 iso9660 文件系统
fat	就是 Windows 下的 fatl6 文件系统，在 Linux 中识别为 fat
vfat	就是 Windows 下的 fat32 文件系统，在 Linux 中识别为 vfat。支持最大 32GB 的分区和最大 4GB 的文件
NTFS	就是 Windows 下的 NTFS 文件系统，不过 Linux 默认是不能识别 NTFS 文件系统的，如果需要识别，则需要重新编译内核才能支持。它比 fat32 文件系统更加安全，速度更快，支持最大 2TB 的分区和最大 64GB 的文件
ufs	Sun 公司的操作系统 Solaris 和 SunOS 所采用的文件系统
proc	Linux 中基于内存的虚拟文件系统，用来管理内存存储目录 /proc
sysfs	和 proc —样，也是基于内存的虚拟文件系统，用来管理内存存储目录 /sysfs
tmpfs	也是一种基于内存的虚拟文件系统，不过也可以使用 swap 交换分区