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词汇表

本文目前尚未完稿,存在诸多未尽章节且未经审阅,不是正式版本。

在本次 Linux 101 介绍活动中,你可能会遇到许多新名词。为了便于大致理解概念与作为讲义辅助查阅,我们将本讲义涉及到的基本概念编写于此,正文可在适当位置加以引用。

部分词条并非使用专业而严格的方式解释,仅为快速理解而编写,更加严格的定义可参阅各大百科。

操作系统

操作系统是管理计算机的软硬件资源,为上层应用程序提供服务的系统程序。当然现在,「操作系统」一词在不同的场合指向的东西是不同的:有时候,「操作系统」指代操作系统内核;有时候,「操作系统」指代从内核到用户界面与(预装的)应用的一个整体;而有的时候,「操作系统」指代内核与「偏向底层」的程序(例如 C 运行时库)的整体。

关于操作系统的更详细的综述,可以查看第一章第四章中关于进程等的部分,也与操作系统概念联系紧密。

GNU:GNU is Not UNIX!

Tip

时间回到上世纪 70-80 年代,一代操作系统巨星 UNIX 在 AT&T 的商业化策略下选择了闭源的策略,不再提供源代码给使用者。这不仅意味着金钱上的制约,更是一种对修改研究软件权力的制约。想想看,如果想对一个文本编辑器添加一个小功能,却由于版权原因被逼写一份自己的编辑器,可以说相当令人绝望。于是,Richard Stallman 带着他的 GNU Emacs 站了出来,号召 hacker 们搭建起自由的软件平台——GNU。

正如标题所见,GNU 的全称使用了一种递归,表达了与 Unix 这种对“自由”的限制决裂的态度。

而进入 GNU/Linux 世界,便意味着将一直与 GNU 软件打交道。先看看一堆字母 g 开头的应用程序:

  • gcc: GNU 的 C 和 C++ 编译器
  • gdb: GNU 程序调试器
  • gzip: gz 格式压缩与解压缩工具
  • GNOME: 隶属于 GNU 项目的桌面环境
  • gimp: GNU 图像编辑工具

它们的首字母 g 都是 GNU 的缩写(当然有一些例外,例如 grep,一个字符串模式匹配工具)。许多 Linux 上的系统管理命令虽然未必以 g 开头,但都属于自由软件;还有更多优秀的软件,被自由软件爱好者维护、分享……选择 Linux,很大程度上是一种对极客精神与开源文化的认同。

这里有一份Redhat 公司制作的录音节目 Command Line Heroes,纪念开源世界的历史与文化,对自己英语听力有自信的同学可以选择收听一下。

终端 (Terminal) 与控制台 (Console)

还记得在 Unix 诞生之前由通用电器公司主持的 Multics 计划吗?对了,就是可以让用户把一套键盘显示器往墙上一插,直接连接到远端主机的计划。当时键盘和显示器连为一体,称为终端(terminal)。而主机自带的一套键盘与屏幕只能给系统管理员使用,称为控制台 (console),用来输出启动 debug 信息(现在的 Linux 系统如果因故障而不得不进入单用户修复模式,则只有一个终端 /dev/console 开启)。

然而随着时代的发展,这种模式逐渐被家庭电脑的分布式主机取代,我们不需要,也没有多套终端了,只有显示器、键盘、鼠标。但是为了向前兼容性,我们需要假装这是一个(甚至多个)终端,所以一般发行版 /dev 目录下有 7 个终端 tty1 ~ tty7,通过 ctrl + alt + F1 ~ F7 切换键盘与显示器与哪个终端相对应。

再后来,随着时代发展,终端需要出现在图形界面上了,然而承载图形界面的也是终端,所以终端里的终端就需要终端模拟器来实现了。由此,出现在图形界面上的终端才叫终端模拟器。

注意:终端不是 Shell,尽管它们经常被弄混淆。

参考阅读: 你真的知道什么是终端吗?

壳层 (Shell)

但凡使用 Linux,必然要与之交互。广义上讲,能与用户交互的程序都符合 shell 的定义(比如图形界面可以识别鼠标位置信息,点击操作和键盘快捷键)。然而 Linux 本身以命令行工具为主,而 shell 狭义上就是命令行解释工具,即允许用户在一定程度上「说人话」来调用程序。

Shell 是非常重要的程序。如果发行版中根本没有 shell,用户便无法控制计算机了。

没有图形界面时,shell 一般为控制台 (tty) 的子进程,在图形界面上 shell 建立在虚拟终端 (pty, pseudo tty) 之上。顺带一提,ssh 的父进程也是一个 pty。

内核 (Kernel)

有壳 (shell) 必有核 (kernel),只有这里的核才是操作系统本体,真正负责调度程序,管理硬件的部分。而 Linux 发行版本身则是一个套装,意味着一个核用不同的软件包装出来,其中体现着发行版之间不同的理念。

中断 (IRQ, Interrupt Request)

你正在看书,被电话铃声打断,接完电话,继续读书。这里就很好地阐释了中断的基本原理:电话铃是中断的核心,电话号决定了是谁打来的,你要使用什么语言回应。

从程序的角度来看,中断对应着程序正常执行逻辑被打断,跳转到特定的中断处理程序。上面的电话铃代表是哪个硬件上产生的中断信号,告诉 CPU 应当如何处理。处理完之后自然回到正在运行的程序中(或者如果电话中老妈让你把饭热上,便对应 CPU 进行调度切换更高「优先级」任务的过程)。

在中断机制中,中断号与其处理程序的映射尤为重要,这些映射储存在中断向量表中。

没有中断,计算机仍将停留在批处理年代的早期,只能管理 IO,无法进行调度。

参考阅读:Linux 内核中断内幕

时钟中断

操作系统之所以可以单核多任务(并发),很大程度上是由于时钟中断的存在。时钟电路每隔一段时间会发送时钟中断,在收到这个中断之后,CPU 就会保存当前执行的程序的状态,然后执行操作系统的调度程序,调度程序会(根据调度算法)选择下一个执行的程序。

系统调用 (System Call)

如果说进程调度体现了系统进程与资源的管理作用,那么系统调用体现的是系统为进程提供服务的功能。操作系统既然提供了对硬件的抽象,那么必然要让程序去使用这些抽象。于是系统调用可以按照其提供的抽象分为针对进程的,针对文件的,针对内存的,针对用户的调用。除此之外还有网络管理以及调节操作系统自身的调用。我们所熟悉的各种操作:例如读写磁盘文件、程序分配堆内存(例如 malloc())、在终端上输入输出等,都需要经过系统调用。

系统调用运行在操作系统核心,为内核与用户层提供了一种通信的方式,是各用户进程「使用」操作系统的统一接口。如果没有系统调用,用户程序就需要直接操作内核来进行需要的操作,而这对于现代操作系统来说显然是无法接受的。

POSIX 标准

内建命令

$ whereis ls
$ whereis bg

文件描述符

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