第1章 Linux操作系统简介

本章导读：本章首先对Linux发展简史进行简要介绍，然后对Linux内核进行了介绍，重点介绍了Linux内核的特点和功能，接着对Linux发行版进行介绍，并列举了一些典型的发行版；最后对嵌入式Linux进行了简要介绍，包括嵌入式Linux的特点和产品形态。

1.1 Linux内核

1.1.1简介

Linux是全球最受欢迎的开源操作系统。它是一个由C语言编写的，符合POSIX标准的类UNIX系统。 词条POSIX
POSIX是Portable Operating System Interface的缩写，表示可移植操作系统接口，它规定了操作系统应该为应用编程提供的接口标准。 词条UNIX
UNIX是一个强大的多用户、多任务分时操作系统，支持多种处理器架构，于1969年在AT&T的贝尔实验室开发。UNIX是商业操作系统，需要收费。 20世纪九十年代，由于当时UNIX的商业化，Andrew Tannebaum教授开发了Minix操作系统，用于教学和科研，并发布在Internet上，免费给全世界的学生使用。Minix具有UNIX的很多特点，但是不完全兼容。1991年，芬兰大学生Linus Torvalds为了给Minix用户设计一个比较有效的UNIX PC版本，写了一个“类Minix”的操作系统，并发布到了Minix新闻组，在众多支持者的帮助下，Linus推出了Linux第一个稳定版本。1991年11月份，Linux 0.10版本推出，次年12月份，Linux 0.11版本推出，并在发布网上免费供人们使用。Linux 0.13版本发布时，Linux已经非常接近于一种可靠、稳定的操作系统，Linus决定将0.13版本改称为0.95版本，到1994年3月，Linux发布了1.0版本。

• Linus当时提交到Minix新闻组的原名并不是Linux，而是Freax，取自“Free”和“Unix”两个单词，为“免费的Unix”之意。但当时的管理员并不喜欢“Freax”这个名称，并以“Linus’s Minix”之意，将Freax放到了一个名为“Linux”的目录下，之后便一直用Linux这个名称。

Linux诞生、发展和壮大于网络，目前依然掌控于Linux社区，遍布全球数以万计的黑客和志愿者参与Linux开发，也有商业公司为Linux贡献代码。Linux内核核心开发队伍的领导者目前是Linus本人。 Linus其人 Linus Torvalds（1969.12.28 - ），芬兰赫尔辛基人。在1991年他还是一名大学生的时候，开发了Linux操作系统，在众多黑客的帮助和他的主持下，Linux操作系统蓬勃发展，他本人至今依然是Linux内核项目的核心和领导人物。他本人获奖无数，主要有：

• 2014年，Linus获得2014 IEEE计算机先驱奖； 
• 2012年，芬兰千禧年科技奖； 
• 2012年，首批入驻“互联网名人堂”； 
• 2011年，首届ITechLaw成就奖； 
• 2004年，被评为世界最有影响力的人之一； 
• 1998年，电子前哨基金会先锋奖。 
• 除Linux操作系统之外，Linus还创建了目前最流行的版本控制系统Git。

Linux遵循GPL协议，允许任何人对代码进行修改或发行，包括商业行为。只要其遵守该GPL协议，所有基于Linux的软件也必须以GPL协议的形式发表，并提供源代码。
词条GPL 通用公共许可证”。只有GPL英文原版才具有法律效力。 在软件中采用了使用GPL协议的产品，该软件产品也必须采用GPL协议，即必须开源，这是GPL所谓的“传染性”。 获取Linux内核源码的网址为：http://www.kernel.org，在这里能够下载各版本的内核源码，包括测试版和最新稳定版。 Linux的吉祥物是一只名叫Tux的企鹅，看起来像穿了一件晚礼服的企鹅，如下图。
Linux吉祥物创作于1996年，据说Linus被澳大利亚国家动物园的一只小企鹅轻轻咬了一下，于是就有了用企鹅做吉祥物的想法。 Tux全称tuxedo，但大多数人更倾向于另一种说法，说是Tux名字来源于“Torvalds UniX”。 Linux发音[’li:nэks]，这也是Linus本人的发音，在不同语言里发音有差异，国内很大一部分人发音[’li:njuks]。

1.1.2 特点

Linux内核的重要特点 Linux是一个开放自由的操作系统内核，具有一些鲜明的特点： 1. Linux是一个一体化内核； 注：“一体化内核”是也称“宏内核”，是相对于“微内核”而言的。几乎所有的嵌入式和实时系统都采用微内核，如VxWorks、uC/OS-II、PSOS等。 2. 可移植性强。尽管Linus最初只为在X86 PC上实现一个“类UNIX”，后来随着加入者的努力，Linux目前已经成为支持硬件平台最广泛的操作系统； 注：目前已经在X86、IA64、ARM、MIPS、AVR32、M68K、S390、Blackfin、M32R等众多架构处理器上运行。 3. 是一个可裁剪操作系统内核。Linux极具伸缩性，内核可以任意裁剪，可以大至几十或者上百兆，可以小至几百K，运行的设备从超级计算机、大型服务器到小型嵌入式系统、掌上移动设备或者嵌入式模块，都可以运行； 4. 模块化。Linux内核采用模块化设计，很多功能模块都可以编译为模块，可以在内核运行中动态加载/卸载而无需重启系统； 5. 网络支持完善。Linux内核集成了完整的POSIX网络协议栈，网络功能完善； 6. 稳定性强。运行Linux的内核的服务器可以做到几年不用复位重启； 7. 安全性好。Linux源码开放，由众多黑客参与Linux的开发，一旦发现漏洞都能及时修复； 8. 支持的设备广泛。Linux源码中，设备驱动源码占了很大比例，几乎能支持任何常见设备，无论是很老旧的设备还是最新推出的硬件设备，几乎都能找到Linux下的驱动。 Linux操作系统的特点 以Linux内核为核心的操作系统具有如下特点： （1）开放性 遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连（OSI）国际标准。凡遵循国际标准所开发的硬件和软件，都能彼此兼容，可方便地实现互连。 词条OSI OSI是Open System Interconnection的缩写，意为开放系统互联，该模型由ISO（国际标准化组织）制定。模型把网络通信分为7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。 词条ISO ISO是International Organization for Standardization的缩写，即国际标准化组织，该组织是由国家标准化机构组成的世界范围的联合会，现有140个成员国。ISO中央办事机构设在瑞士的日内瓦。 （2）多用户 Linux操作系统是一个真正的多用户操作系统；系统资源可以被不同用户各自拥有使用，即每个用户对自己的资源有特定的权限，互不影响。 经常有初学者将Linux的多用户与Windows的多用户弄混淆，实际上两者的差别是很大的。Windows桌面同一时刻只允许一个用户登录，其余用户必须锁定；而Linux则允许多个用户同时登录。 （3）多任务 多任务是现代计算机的最主要的一个特点。它是指计算机同时执行多个程序，而且各个程序的运行互相独立。Linux系统调度每一个进程平等地访问处理器。 多任务实际上很常见，例如我们在编写文档的时候，还可以一边听歌，甚至还可以从网上下载资料。这至少就有文档处理、音乐播放和网络下载三个任务，相互互不影响，并且是同时运行的。 （4）良好的用户界面 Linux向用户提供了两种界面：用户界面和系统调用。 Linux的传统用户界面是基于文本的命令行界面，即Shell，它既可以联机使用，又可存在文件上脱机使用。Shell有很强的程序设计能力，用户可方便地用它编制程序，从而为用户扩充系统功能提供了更高级的手段。 Linux还为用户提供了图形用户界面。它利用鼠标、菜单、窗口、滚动条等设施，给用户呈现一个直观、易操作、交互性强的友好的图形化界面。 系统调用是提供给用户编程时使用的界面。用户可以在编程时直接使用系统提供的系统调用。系统通过这个界面为用户程序提供低级、高效率的服务。 （5）设备独立性 Linux操作系统把所有外部设备统一当作成文件来看待，只要安装它们的驱动程序，任何用户都可以像使用文件一样，操纵、使用这些设备，而不必知道它们的具体存在形式。Linux的设备独立性使得它具有高度适应能力，能够适应随时增加支持新设备。 设备独立性主要是对应用程序开发者来说的。例如，对应用开发者来说，系统自带的串口与USB串口的操作方式是一样的，都是串口设备，而不用关心这个串口设备实际对应的物理硬件是什么。 现代计算机都实现了设备独立特性。 （6）完善的网络功能 Linux内置完整的POSIX网络协议栈，在通信和网络功能方面优于其它操作系统。Linux为用户提供了完善的、强大的网络功能： 支持Internet。Linux免费提供了大量支持Internet的软件，使得用户能用Linux与世界上的其他人通过Internet网络进行通信。 网络文件传输。用户能通过一些Linux命令完成内部信息或文件的传输。 远程访问功能。Linux系统既允许本身通过网络访问远程的系统，也允许远程系统通过网络访问自身。 （7）可靠的系统安全 Linux采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权限控制、带保护的子系统、审计跟踪、核心授权等，为网络多用户环境中的用户提供了必要的安全保障。 （8）模块化   运行时可以根据系统的需要加载程序而无需重启系统。Linux的模块化极大地提高了Linux的可裁剪性和灵活性。 （9）良好的可移植性 Linux是一种可移植的操作系统，能够在从微型计算机到大型计算机的任何环境和任何平台上运行。目前已经成为支持平台最广泛的操作系统。 Linux内核移植分3个层次：体系结构级别移植、处理器级别移植和板级移植。对大多数开发者而言，只需进行板级移植。

1.1.3 内核版本号

Linux内核版本由Linus所领导的内核开发小组控制，版本号有严格规定。 Linux内核版本号通常由3个数字组成，以2.6.28为例，2为主版本号，6为次版本号，28为修订号。次版本号为偶数则表示这是一个稳定版本，如2.6.17，为奇数则表示是一个开发版本，有可能是不稳定的，如2.5.6。 另外，还可能见到如2.6.27.8这样的版本号，末尾的.8表示这是2.6.27版本的第8个升级版本，也是可用的稳定版本。

1.1.4 组成部分

Linux内核由5个主要子系统组成，分别是：内存管理、进程管理、进程间通信、虚拟文件系统和网络，各子系统之间的关系如图 1.1所示。 GPL是GNU General Public License的缩写，非正式中文翻译为“GNU 

图1.1 Linux内核组成部分 1. 进程管理 进程管理负责控制进程对CPU的访问，如任务的创建、调度和终止等。任务调度是进程管理最核心的工作，由Linux内核调度器来完成。Linux内核调度器根据一定算法来选择最值得运行的进程。 一个进程的可能状态有如下几种： （1）运行态——已经获得了资源，并且进程正在被CPU执行。进程既可运行在内核态，也可运行在用户态。 内核态，内核和驱动所运行时的状态，程序处于特权阶级，能够访问系统的任何资源，好比社会的统治者。 用户态，用户程序运行的状态，处于非特权阶级，不能随意访问系统资源，必须通过驱动程序方可访问，用户态程序可通过系统调用进入内核态。用户态程序有如社会的被统治者，处于被管理的非特权阶级，只有通过某种途径才能进入特权阶级。 （2）就绪态——当系统资源已经可用，但由于前一个进程还没有执行完而释放CPU，准备进入运行状态。 （3）可中断睡眠状态——当进程处于可中断等待状态时，系统不会调度该程序执行。当系统产生一个中断或者释放了进程正在等待的资源，或者进程收到一个信号，都可以被唤醒进入就绪状态或者运行态。 （4）不可中断睡眠状态——处于中断等待状态，但是该进程只能被使用wake_up()函数明确唤醒的时候才可进入就绪状态。 （5）暂停状态——当进程收到SIGSTOP、SIGSTP、SIGTTIN或者SIGTTOU就会进入暂停状态，收到SIGCONT信号即可进入运行态。 （6）僵死态——进程已经停止运行，但是其父进程还没有询问其状态。 各状态之间的转换关系和转换条件如图 1.2所示。
图1.2 Linux进程状态和转换 进程和状态的转换有点抽象，用生活中一个比较接近的例子类比一下，或许能有助于理解。Linux内核调度器好比是生产线的主管，而进程则好比是生产线上的工人。主管24小时不间断的工作，工人的工作时间是朝九晚五，其余时间在等待区排队等候。 早上工人到达工厂，还没到9点上班时间，工人可以在等待区休息，这个状态可以称之为“就绪态”；但是9点一到，工人则必须上生产线工作，这个工作状态可称之为“运行态”；下午5点一到，到了工人下班时间，工人离开生产线又回到等待区排队等候，处于“就绪态”。 如果工人上班的时候，收到主管的命令，说是“你暂时不用工作了，到休息室休息等待”，工人此时的这个状态，可以称之为“暂停”状态，过了一段时间，主管通知工人说是“休息结束，要准备工作了”，工人不能直接回生产线岗位，而是必须先到等待区排队等待，轮到后才上生产线工作。 如果有一天工人精神状态不好，向主管申请要睡觉休息，理由可以是“某种配件不到，我无法工作”，也可以是“我就是困了，想睡觉”，工人最后可能得到两种批准结果：一是主管批准了，但是附加了一个条件说“等我叫醒你，你必须醒来上班”，然后工人就去享受他的安稳觉了，工人进入“不可中断睡眠”状态；另一种是主管也批准了，但是附加了另一个条件，说“在你睡觉的时候，如果配件到了，你就得立马给我起来上班”，工人也去睡觉去了，但此时工人睡得并不安心，因为这不是一个安稳觉，是“可中断睡眠”。无论工人睡得是安稳觉，还是不安稳觉，醒来都不能直接上生产线，而是回到等待区，等待轮值。 还有一种情况，工人干完活到点下班了，但主管对他不闻不问，也不安排新的工作，这是一种非正常状况，工人进入了“僵死态”。

2. 内存管理

内存管理的主要作用是控制和管理多个进程，使之能够安全的共享主内存区域。当CPU提供内存管理单元（MMU）时，内存管理为各进程实现虚拟地址到内存物理地址的转换。在32位系统上，Linux内核将4G空间分为1G内核空间（3~4G）和3G（0~3G）用户空间，通过内存管理，每个进程都可以使用3G的用户空间。

3. 文件系统

Linux内核支持众多的逻辑文件系统，如Ext2、Ext3、Ext4、btrfs、NFS、VFAT等。VFS则是Linux基于各种逻辑文件系统抽象出的一种内存中的文件系统，隐藏了各种硬件设备细节，为用户提供统一的操作接口，是用户访问各种不同文件系统和设备时，不用区分具体的逻辑文件系统。例如，Linux下硬盘上使用的文件系统通常是Ext3/4格式，而U盘通常是FAT32格式，但是用户在使用中根本感觉不到差异，也不用区分文件系统的具体差别。

4. 网络接口

Linux对网络支持相当完善，网络接口提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持，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。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。

5. 进程间通信

支持进程间各种通信机制，如管道、命名管道、信号、消息队列、内存共享、信号量和套接字等。

• 管道通常用于具有亲缘关系的父子进程或者兄弟进程间通信，是半双工的，数据只能往一个方向流动，先入先出，与自来水管很相似。如果双方互通时，需要建立两个管道。
• 命名管道则突破了进程间的亲缘关系限制，即非父子、兄弟进程之间也可相互通信。
• 信号是软件中断，用于在多个进程之间传递异步信号。日常生活中信号的例子很多了，如一对很亲密的哑巴情侣，在很多时候只需要一个简单的眼神，对方就能知道他（她）需要什么，并做出回应，这个眼神，就是一个“信号”。
• 信号能传递的信息有限，而消息队列则正好弥补了这点。例如情侣的一个眼神，对方可能能知道情侣的需求，但是如果情侣有一大堆需求，仅仅靠一个眼神就比较费力了。情侣就把自己的需求写在了一张纸条上，递交给对方，对方根据纸条的内容，逐一满足情侣的需求。
• 共享内存常用于不同进程间进行大量数据传递。Linux下每个进程都有自己的独立空间，各自都不能直接访问其它进程的空间。好比这对情侣都有自己的小金库，有时候需要给对方一部分钱用，但他们不能直接相互转账，必须先将前存到他们俩合开的一个公共账户上面，然后再使用。这个公共账户就是这对情侣的“共享内存”。
• 信号量用于进程同步。只有获得了信号量的进程才可以运行，没有获得信号量的进程则只能等待。就像十字路口的红绿灯，只有在绿灯亮（获得了绿灯）的时候才能通行，否则只能等待。
• 套接字（Socket）起源于BSD，也常称“BSD套接字”，用于多个进程间通信，可以基于文件，也可基于网络。Socket本意是“插座”，套接字设计就是通过某些参数设定，然后将一个“插座”与另外一个“插座”连接起来。可能还有点抽象，看一个例子可能就好理解了。把套接字理解为固定电话的插口，现在要打电话出去，必须要知道打给谁，往哪里打；另外电话另一端必须有人在听才可以通话，否则也不能打电话。