一、Linux内核基础白话
1. 在操作系统中，输入设备驱动其实就像客户对接员。有时候新插上一个鼠标的时候，会弹出一个通知安装驱动，这就是操作系统这家外包公司在配备对接人员。当客户告诉对接员需求的时候，对于操作系统来说，输入设备会发送一个中断。这个概念很好理解，客户肯定希望外包公司把正在做的事情都停下来服务它。所以，这个时候客户发送的需求就被称为中断事件（Interrupt Event）。
显卡驱动在操作系统中称为输出设备驱动，也就像是交付人员。有了客户对接员和交付人员，外包公司就可以处理用户“在桌面上点击QQ图标”的事件了。首先，鼠标双击会触发一个中断，相当于客户告知客户对接员“有了新需求需要处理”。操作系统事先把处理这种问题的方法教给客户对接员，就是调用中断处理函数。操作系统发现双击的是一个图标，就准备运行QQ。
对QQ这个程序来说，它能做哪些事情，每个事情怎么做和顺序，都已经作为程序逻辑写在里面，并且编译成为二进制了，这个程序就相当于项目执行计划书。电脑上各程序都以二进制文件的形式保存在硬盘上，而硬盘要按照规定格式化成为文件系统，才能存放这些程序。文件系统需要一个系统进行统一管理，称为文件管理子系统（File Management Subsystem）。当操作系统拿到QQ的二进制执行文件时，就可以运行这个文件了。QQ的二进制文件是静态的，称为程序（Program），而运行起来的QQ，是不断进行的，称为进程（Process）。
2. 项目立项过程中，需要用到公司各种资源，这里有个两难的权衡，一方面资源是有限的，甚至是涉及机密的，不能由项目组滥取滥用；另一方面就是效率，保证项目申请资源的时候只跑一次，这样才能比较高效。为了平衡这一点，一方面涉及核心权限的资源，还是应该被公司严格把控，审批了才能用；另外一方面，为了提高效率，最好有个统一的办事大厅，明文列出提供哪些服务，谁需要可以来申请，然后就会有回应。
在操作系统中也有同样的问题，例如多个进程都要往打印机上打印文件，如果随便乱打印进程，就会出现同样一张纸，第一行是A进程输出的文字，第二行是B进程输出的文字，全乱套了。所以，打印机的直接操作是放在操作系统内核里面的，进程不能随便操作。但是操作系统也提供一个办事大厅，也就是系统调用（System Call）。系统调用列出来提供哪些接口可以调用，进程有需要的时候就可以去调用。项目立项是办事大厅提供的关键服务之一，同样任何一个程序要想运行起来，就需要调用系统调用，创建进程。
3. 就像项目经理管理调度开发人员在各项目组中进行工作，在操作系统中，进程的执行也需要分配CPU进行执行，也就是按照程序里面的二进制代码一行一行地执行。于是，为了管理进程还需要一个进程管理子系统（Process Management Subsystem）。如果运行的进程很多，则一个CPU会并发运行多个进程，也就需要CPU的调度能力了。
每个项目都有自己的私密资料，这些资料不能被其他项目组看到。如果不同项目的办公空间不隔离，一方面，项目的私密性不能得到保证，A项目的细节B项目也能看到；另一方面项目之间会相互干扰，A项目组的人刚在白板上画了一个架构图，出去上个厕所，结果 B 项目组的人就给擦了。如果把不同的项目组分配到不同的会议室，就解决了这个问题。当然会议室是有限的，需要需要一个会议室管理系统。在操作系统中，不同的进程有不同的内存空间，但是整个电脑内存有限，所以需要统一的管理和分配，这就需要内存管理子系统（Memory Management Subsystem）。
4. QQ启动之后，有一部分代码会在显示器上画一个对话框，并且将键盘的焦点放在了输入框里面。CPU根据这些指令，就会告知显卡驱动程序，将这个对话框画出来。当用户通过键盘打字的时候，键盘也是输入设备，也会触发中断，通知相应的输入设备驱动程序。假设用户输入了一个“a”，QQ进程是不能直接发送网络包的，需要调用系统调用，内核使用网卡驱动程序进行发送。这就像客户对接员接到一个需求，但是这个需求需要和其他公司沟通，这就需要依靠公司的对外合作部，对外合作部在办事大厅有专门的窗口。各子系统的比喻和关系如下所示：
二、常用Linux命令
5. 在Linux中，以管理员账户身份在命令行里使用useradd命令就能创建一个子用户：
useradd username执行这个命令，一个用户就被创建了。它不会弹出让输入密码之类的页面，就会直接返回了。因为接下来需要自己调用passwd username设置密码再进行登录。在Windows里设置用户的时候，用户有一个“组”的概念，比如“Adminsitrator组”“Guests组”“Power User组”等。同样Linux里也是分组的。前面创建用户的时候，没有说加入哪个组，默认就会创建一个同名的组。
通过命令创建的用户，是放在/etc/passwd文件里的，这是一个文本文件。可以通过cat命令，将里面的内容输出在命令行上。组的信息放在/etc/group文件中，如下所示：
# cat /etc/passwd
root:x:0:0:root:/root:/bin/bash
......
username:x:1000:1000::/home/cliu8:/bin/bash
# cat /etc/group
root:x:0:
......
username:x:1000:
在/etc/passwd文件里，可以看到root 户和刚创建的username用户。x的地方是密码，密码当然不会放在这里，不然谁都知道了。接下来是用户ID和组ID，这和/etc/group里面就对应上了。/root和/home/username分别是root用户和username用户的主目录，主目录是用户登录进去后默认的路径。
/bin/bash的位置是用于配置登录后的默认交互命令行的，不像Windows登录进去是界面，其实就是explorer.exe。而Linux登录后的交互命令行是一个解析脚本的程序，这里配置的是/bin/bash。
6. cd命令就是 change directory，就是切换目录；cd .表示切换到当前目录；cd ..表示切换到上一级目录；在Windows中使用dir命令，可以列出当前目录下的文件，Linux列出当前目录下的文件用的是ls，意思是list。常用的是ls -l，也就是用列表的方式列出文件，如下所示：
# ls -l
drwxr-xr-x 6 root root 4096 Oct 20 2017 apt
-rw-r--r-- 1 root root 211 Oct 20 2017 hosts
其中第一个字段的第一个字符是文件类型，如果是“-”表示普通文件；如果是d就表示目录。第一个字段剩下的9个字符是模式，其实就是权限位（access permission bits），3个一组，每一组rwx表示“读（read）”“写（write）”“执行（execute）”。如果是字母，就说明有这个权限；如果是横线，就是没有这个权限。这三组分别表示文件所属的用户权限、文件所属的组权限以及其他用户的权限。例如上面的例子中，-rw-r–r--就可以翻译为，这是一个普通文件，对于所属用户，可读可写不能执行；对于所属的组，仅仅可读；对于其他用户，也是仅仅可读。如果想改变权限，可以使用命令chmod 711 hosts。
第二个字段是硬链接（hard link）数目，第三个字段是所属用户，第四个字段是所属组。第五个字段是文件的大小，第六个字段是文件被修改的日期，最后是文件名。可以通过命令chown改变所属用户，chgrp改变所属组。在Linux中，没有双击安装这一说（如果无图形界面），因此想要安装还得需要命令。CentOS下使用rpm -i XXX_linux-x64_bin.rpm进行安装，Ubuntu下使用dpkg -i XXX_linux-x64_bin.deb，其中-i就是install的意思。
7. 在Linux下，凭借rpm -qa或dpkg -l就可以查看安装的软件列表，-q就是 query，a就是all，-l的意思就是list。如果真的去运行的话，会发现这个列表很长很长，很难找到安装的软件。如果知道要安装的软件包含某个关键词，可以用一个很好用的搜索工具 grep。例如rpm -qa | grep jdk，这个命令是将列出来的所有软件形成一个输出。| 是管道，用于连接两个程序，前面rpm -qa的输出就放进管道里面，然后作为grep的输入，grep将在里面进行搜索带关键词jdk的行，并且输出出来。
grep支持正则表达式，因此搜索的时候很灵活，再加上管道，这是一个很常用的模式。同理dpkg -l | grep jdk也是能够找到的。如果不知道关键词，可以使用rpm -qa | more和rpm -qa | less这两个命令，它们可以将很长的结果分页展示出来，这样就可以一个个来找了。more是分页后只能往后翻页，翻到最后一页自动结束返回命令行，less是往前往后都能翻页，需要输入q返回命令行，q就是 quit。如果要删除，可以用rpm -e或dpkg -r。-e就是erase，-r就是remove。
8. Linux也有自己的软件管家，CentOS下面是 yum，Ubuntu下面是apt-get。可以根据关键词搜索，例如搜索jdk可以使用yum search jdk或apt-cache search jdk，可以搜索出很多很多可以安装的jdk版本。如果数目太多，可以通过管道grep、more、less来进行过滤。选中一个之后就可以进行安装了，可以用yum install java-11-openjdk.x86_64或apt install openjdk-9-jdk来进行安装。安装以后可以使用yum erase java-11-openjdk.x86_64或apt purge openjdk-9-jdk来卸载JDK。
Linux允许配置从哪里下载这些软件，对于CentOS来说配置文件在/etc/yum.repos.d/CentOS-Base.repo里，如下所示：
[base]
name=CentOS-$releasever - Base - 163.com
baseurl=http://mirrors.163.com/centos/$releasever/os/$basearch/
gpgcheck=1
gpgkey=http://mirrors.163.com/centos/RPM-GPG-KEY-CentOS-7
对于Ubuntu来说，配置文件在/etc/apt/sources.list里，如下所示：
deb http://mirrors.163.com/ubuntu/ xenial main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.163.com/ubuntu/ xenial-security main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.163.com/ubuntu/ xenial-updates main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.163.com/ubuntu/ xenial-proposed main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.163.com/ubuntu/ xenial-backports main restricted universe multiverse
其实无论是先下载再安装，还是通过软件管家进行安装，都是下载一些文件，然后将这些文件放在某个路径下，然后在相应的配置文件中配置一下。例如在Windows里，最终会变成C:\Program Files下面的一个文件夹以及注册表里面的一些配置。对应 Linux里会放的更散一点。例如主执行文件会放在/usr/bin或者/usr/sbin下面，其他的库文件会放在/var下面，配置文件会放在/etc下面。
9. 通过tar命令解压缩下载的压缩包之后，也需要配置环境变量，可以通过export命令来配置。如下所示：
export JAVA_HOME=/root/jdk-XXX_linux-x64
export PATH=$JAVA_HOME/bin:$PATHexport命令仅在当前命令行的会话中管用，一旦退出重新登录进来，就不管用了。在当前用户的默认工作目录，例如/root或者/home/username下面，有一个.bashrc文件，这个文件是以点开头的，默认看不到，需要ls -al才能看到，a就是all。每次登录的时候，这个文件都会运行，因而可以把该export命令放在这个文件里。当然也可以通过source .bashrc手动执行。要编辑.bashrc文件，可以使用文本编辑器vim。
10. Linux不是像Windows那样根据.exe后缀名来执行的。它的执行条件是这样的：只要文件有x执行权限，都能到文件所在的目录下，通过./filename运行这个程序。当然，如果放在PATH里设置的路径下面，就不用./了，直接输入文件名就可以运行了，Linux会自动找到路径。一般命令行被关闭了，该会话下的所有程序都会退出，为了持续后台运行一个程序，往往使用nohup命令，这个命令的意思是no hang up（不挂起），也就是说当前交互命令行退出的时候，程序还要在。当然这个时候，程序不能霸占交互命令行，而是应该在后台运行，因此最后再加一个&，就表示后台运行。
另外一个要处理的就是输出，原来什么都打印在交互命令行里，现在在后台运行了，输出到文件是最好的。最终命令的一般形式为nohup command >out.file 2>&1 &，这里“1”表示文件描述符1，表示标准输出，“2”表示文件描述符2，意思是标准错误输出，“2>&1”表示标准输出和错误输出合并了，合并到out.file里。
如果要关闭进程，假设启动的程序包含某个关键字，那就可以使用下面的命令：
ps -ef |grep 关键字 |awk '{print $2}'|xargs kill -9其中ps -ef可以单独执行，列出所有正在运行的程序，awk工具可以很灵活地对文本进行处理，这里的awk '{print $2}'是指第二列的内容，是运行的程序ID。然后可以通过xargs传递给kill -9，也就是发给这个运行的程序一个信号，让它关闭。如果已经知道运行的程序ID，可以直接使用kill关闭运行的程序。
11. Linux也有相应的开机启动服务。例如MySQL就可以使用这种方式运行。例如在Ubuntu中可以通过apt install mysql-server的方式安装MySQL，然后通过命令systemctl start mysql启动MySQL，通过systemctl enable mysql设置开机启动。之所以成为服务并且能够开机启动，是因为在/lib/systemd/system目录下会创建一个XXX.service的配置文件，里面定义了如何启动、如何关闭。常用Linux命令如下所示：
三、常见系统调用
12. Linux中创建进程的系统调用叫fork。在 Linux 里，要创建一个新的进程，需要一个老的进程调用fork来实现，其中老的进程叫作父进程（Parent Process），新的进程叫作子进程（Child Process）。一个进程的运行是要有一个程序的，就像一个项目的执行，要有一个项目执行计划书。本来老的项目，按照项目计划书按部就班地来，项目执行到一半，突然接到命令，说要新启动一个项目需要涉及公司各个部门的工作，比如说，项目管理部门需要给这个项目组开好Jira和Wiki，会议室管理部要为这个项目分配会议室等等。
所以，现在有两种方式，一种是列一个清单，清单里面写明每个新项目组都要开哪些账号。但是，这样每次有项目，都要重新配置一遍新的Jira、Wiki，复杂得很。另一种方式就是程序员常用的方式，CTRL/C + CTRL/V。也就是说，如果想为新项目建立一套Jira，但是一个个填Jira里面的选项太麻烦，那就可以拷贝一个别人的，然后根据新项目的实际情况，将相应的配置改改。
Linux 就是这样想的。当父进程调用 fork 创建进程的时候，子进程将各个子系统为父进程创建的数据结构也全部拷贝了一份，甚至连程序代码也是拷贝过来的。按理说，如果不进行特殊的处理，父进程和子进程都按相同的程序代码进行下去，这样就没意义了，所以往往会这样处理：对于fork系统调用的返回值，如果当前进程是子进程，就返回0；如果当前进程是父进程，就返回子进程的进程号。这样首先在返回值这里就有了一个区分，然后通过if-else语句判断，如果是父进程，还接着做原来应该做的事情；如果是子进程，需要请求另一个系统调用execve来执行另一个程序，这个时候，子进程和父进程就彻底分道扬镳了，也即产生了一个分支（fork）了。
既然新进程都是父进程fork出来的，那到底谁是第一个呢？作为一个外包公司老板，有了新项目当然会分给手下做，但是当公司刚起步的时候没有下属，只好自己上了。先建立项目运行体系，等后面再做项目的时候，就都按这个来。对于操作系统也一样，启动的时候先创建一个所有用户进程的“祖宗进程”。有时候，父进程要关心子进程的运行情况，有个系统调用waitpid，父进程可以调用它，将子进程的进程号作为参数传给它，这样父进程就知道子进程运行完了没有，成功与否等。
13. 在操作系统中，每个进程都有自己的内存，互相之间不干扰，即有独立的进程内存空间。对于进程的内存空间来说，放程序代码的这部分称为代码段（Code Segment）。放进程运行中产生数据的这部分，称为数据段（Data Segment）。其中局部变量的部分，在当前函数执行的时候起作用，当进入另一个函数时，这个变量就释放了；也有动态分配的，会较长时间保存，指明才销毁的，这部分称为堆（Heap）。
只有进程要去使用部分内存的时候，才会使用内存管理的系统调用来登记，说自己马上就要用了，希望分配一部分内存给它，但是这还不代表真的就对应到了物理内存。只有真的写入数据时，发现没有对应物理内存，才会触发一个中断，现分配物理内存。而且尽管分配的逻辑虚拟内存地址是连续的，但是对应的物理内存地址并不一定连续，操作系统会维护内存地址分配的映射关系，通俗的理解如下所示：
在堆里面分配内存的系统调用有两种，即brk和mmap。当分配的内存数量比较小的时候，使用brk，会和原来的堆的数据连在一起，这就像多分配两三个工位，在原来的区域旁边搬两把椅子就行了。当分配的内存数量比较大的时候，使用mmap会重新划分一块区域，也就是说当办公空间需要太多的时候，索性来个一整块。
14. 对于文件的操作，这六个系统调用是最重要的：（1）对于已经有的文件，可以使用open打开这个文件，close关闭这个文件；（2）可以使用creat创建文件；（3）打开文件以后，可以使用lseek跳到文件的某个位置；（4）读的系统调用是read，写是write。
Linux里有一个特点，那就是一切皆文件。启动一个进程，需要一个程序文件，这是一个二进制文件。启动的时候，要加载一些配置文件，例如 yml、properties 等，这是文本文件；启动之后会打印一些日志，如果写到硬盘上，也是文本文件。但如果想把日志打印到交互控制台上，在命令行上打印出来，这其实也是一个文件，是标准输出stdout文件。这个进程的输出可以作为另一个进程的输入，这种方式称为管道，管道也是一个文件。进程可以通过网络和其他进程进行通信，建立的Socket，也是一个文件。进程需要访问外部设备，设备也是一个文件。文件都被存储在文件夹里面，其实文件夹也是一个文件。进程运行起来，要想看到进程运行的情况，会在/proc下面有对应的进程号，还是一系列文件。
每个文件Linux都会分配一个文件描述符（File Descriptor），这是一个整数。有了这个文件描述符，就可以使用系统调用，查看或者干预进程运行的方方面面。所以说文件操作是贯穿始终的，这也是“一切皆文件”的优势，就是统一了操作的入口，提供了极大的便利。
15. 在进程运行的过程中，如果遇到各种异常情况，此时系统就需要发送异常处理信号。经常遇到的信号有以下几种：（1）在执行一个程序的时候，在键盘输入“CTRL+C”，这就是中断的信号，正在执行的命令就会中止退出；（2）如果非法访问无权限的内存区域，例如跑到别人的会议室，可能会看到不该看的东西；（3）硬件故障，设备出了问题；（4）用户进程通过kill函数，将一个用户信号发送给另一个进程。
对于一些不严重的信号，可以忽略，但是像SIGKILL（用于终止一个进程的信号）和SIGSTOP（用于中止一个进程的信号）是不能忽略的，可以执行对于该信号的默认动作。每种信号都定义了默认的动作，例如硬件故障，默认终止；也可以提供信号处理函数，可以通过sigaction系统调用，注册一个信号处理函数。
16. 进程之间的沟通方式有多种：
（1）首先就是发个消息，不需要一段很长的数据，这种方式称为消息队列（Message Queue）。消息队列是在内核里的，可以通过msgget创建一个新的队列，msgsnd将消息发送到消息队列，而消息接收方可以使用msgrcv从队列中取消息。
（2）当两个进程需要交互的信息比较大时，可以使用共享内存的方式，也即两个项目组共享一个会议室（这样数据就不需要拷贝来拷贝去）。这时候，可以通过shmget创建一个共享内存块，通过shmat将共享内存映射到自己的内存空间，然后就可以读写了。
但是，两个进程共同访问一个共享内存里的数据，就会存在“竞争”的问题。如果大家同时修改同一块数据，就需要有一种方式，让不同的人能够排他地访问，这就是信号量的机制Semaphore。例如，对于只允许一个人访问的需求，可以将信号量设为1。当一个人要访问的时候，先调用sem_wait。如果这时候没有人访问，则占用这个信号量，就可以开始访问了。如果这个时候另一个人要访问，也会调用sem_wait。由于前一个人已经在访问了，所以后面这个人就必须等待上一个人访问完之后才能访问。当上一个人访问完毕后，会调用sem_post将信号量释放，于是下一个人等待结束，可以访问这个资源了。
17. 当两台Linux机器通过网络相互通信时，要遵循相同的网络协议，也即TCP/IP网络协议栈。网络服务是通过套接字Socket来提供服务的。在通信之前，双方都要建立一个Socket。可以通过Socket系统调用建立一个Socket。Socket也是一个文件，也有一个文件描述符，也可以通过读写函数进行通信。对于64位操作系统，找到unistd_64.h文件，里面对于系统调用的定义，就是下面这样：
#define __NR_restart_syscall 0
#define __NR_exit 1
#define __NR_fork 2
#define __NR_read 3
#define __NR_write 4
#define __NR_open 5
#define __NR_close 6
#define __NR_waitpid 7
#define __NR_creat 8
......
18. Glibc是Linux下使用的开源的标准C库，它是GNU发布的libc库。Glibc为程序员提供丰富的API，除了例如字符串处理、数学运算等用户态服务之外，最重要的是封装了操作系统提供的系统服务，即系统调用的封装。每个特定的系统调用对应了至少一个Glibc封装的库函数，比如系统提供的打开文件系统调用sys_open对应的是Glibc中的open函数。有时候Glibc一个单独的API可能调用多个系统调用，比如Glibc提供的printf函数就会调用如 sys_open、sys_mmap、sys_write、sys_close等等系统调用。也有时候多个API也可能只对应同一个系统调用，如 Glibc下实现的malloc、calloc、free等函数用来分配和释放内存，都利用了内核的sys_brk的系统调用。Linux的诸多系统调用如下所示：
