Linux 操作系统基础知识

1.操作系统总体介绍

•CPU： 就像人的大脑，主要负责相关事情的判断以及实际处理的机制。
查询指令： cat /proc/cpuinfo
•内存： 大脑中的记忆区块，将皮肤、眼睛等所收集到的信息记录起来的地方，以供CPU进行判断。查询指令： cat /proc/meminfo

物理内存
物理内存，就是我们将内存条插在主板内存槽上的内存条的容量的大小。看计算机配置的时候，主要看的就是这个物理内存
虚拟内存
Windows中运用了虚拟内存技术，即拿出一部分硬盘空间来充当内存使用，当内存占用完时，电脑就会自动调用硬盘来充当内存，以缓解内存的紧张。
关系：windows中虚拟内存和物理内存可能都会被使用，linux中，只有物理内存使用完了，才会使用虚拟内存
•硬盘： 大脑中的记忆区块，将重要的数据记录起来，以便未来再次使用这些数据。
查询指令： fdisk -l (需要root权限)

2.内存和硬盘的关系

具体命令后面会介绍

3.操作系统监控命令>单独写一份

•vmstat

•sar

•iostat

•top

•free

•uptime

•netstat

•ps

•strace

•lsof

4.如何分析操作系统

实际流程： 读数据》数据>硬盘》虚拟内存（swaP）》内存》cpu缓存》执行队列

分析方向，正好相反

4.各个部分常出现的漏洞

•CPU： 容易出现该类瓶颈的邮件服务器、动态web服务器
•内存： 容易出现该类瓶颈的打印服务器、数据库服务器、静态web服务器
•磁盘I/O： 频繁读写操作的项目
•网络带宽： 频繁大量上传下载项目

5.Linux本身的一些优化

1. 系统安装优化

当安装linux系统时，磁盘划分、 SWAP内存的分配都直接影响系统性能。对于虚拟内存SWAP的设定，现在已经没有了所谓虚拟内存是物理内存两倍的要求，但是根据经验，如果内存较小（物理内存小于4GB），一般设置SWAP交换分区大小为内存的2倍；如果物理内存大约4GB小于16GB，可以设置SWAP大小等于或者略小于物理内存即可；如果内存在16GB以上，原则上可以设置SWAP为0，但最好设置一定大小的SWAP

• 2. 内核参数优化

例如，如果系统部署的oracle数据库应用，那么就需要对系统共享内存段（ kernel.shmmax, kenerl.shmmni, kernel.shmall)、

系统信号量（ kernel.sem）、文件句柄（ fs.file0max）等参数进行优化设置；如果部署的WEB应用，那么就需要根据web应用特性进行网络参数的优化，例如修改net.ipv4.ip_local_port_range、net.ipv4.tc_tw_reuse、 net.core.somaxconn等网络

内核参数

• 3. 文件系统优化

在linux下可选的文件系统有ext2,、 ext3、 xfs、 ReiserFS

linux标准文件系统是从VFS开始，然后ext、 ext2， ext2是linux上的标准文件系统， ext3是在ext2基础上增加日志形成的。从VFS到ext3，设计思想没有太大变化，都是早期UNIX家族基于超级块和inode的设计理念设计而成。XFS文件系统是SGI开发的一个高级日志文件系统，通过分布处理磁盘请求、定位数据、保持cache的一致性来提供对文件系统数据的低延迟、高带宽的访问，因此XFS极具伸缩性，非常健壮，具有优秀的日志记录功能、可扩展性强、快速写入等优点。ReiserFS在Hans Reiser领导下开发出来的一款高性能的日志文件系统，通过完全平衡树来管理数据，包括文件数据、文件名及日志支持等。与ext2、 ext3相比，最大的优点是访问性能和安全性大幅提升。具有高效、合理利用磁盘空间，先将的日志管理机制，特意的搜寻方式，海量磁盘存储等优点

5.重点知识

物理内存和虚拟内存

1.如何查看物理内存和虚拟内存？

Top  命令可以查看物理内存和虚拟内存的数值

2.Buffer

是硬盘控制器上的一块内存芯片，具有极快的存取速度，它是硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器。由于硬盘的内部数据传输速度和外界介面传输速度不同，缓存在其中起到一个缓冲的作用。缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素，能够大幅度地提高硬盘整体性能。

3.Cache
CPU缓存（Cache Memory）是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小的多但是交换速度却比内存要快得多。缓存的出现主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾，因为CPU运算速度要比内存读写速度快很多，这样会使CPU花费很长时间等待数据到来或把数据写入内存。在缓存中的数据是内存中的一小部分，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可避开内存直接从缓存中调用，从而加快读取速度

4.CPU中断

当CPU执行完一条现行指令时，如果外设向CPU发出中断请求，那么CPU在满足响应的情况下，将发出中断响应信号，与此同时关闭中断，表示CPU不在受理另外一个设备的中断。这时，CPU将寻找中断请求源是哪一个设备，并保存CPU自己的程序计数器（PC）的内容。然后，他将转移到处理该中断源的中断服务程序。CPU在保存现场信息，设备服务（如交换数据）以后，将恢复现场信息。在这些动作完成以后，开放中断，并返回到原来被中断的主程序的下一条指令。

5.上下文切换
上下文切换（Context Switch） 或者环境切换
多任务系统中，上下文切换是指CPU的控制权由运行任务转移到另外一个就绪任务时所发生的事件。
在操作系统中，CPU切换到另一个进程需要保存当前进程的状态并恢复另一个进程的状态：当前运行任务转为就绪（或者挂起、删除）状态，另一个被选定的就绪任务成为当前任务。上下文切换包括保存当前任务的运行环境，恢复将要运行任务的运行环境。
进程上下文用进程的PCB（进程控制块,也称为PCB，即任务控制块）表示，它包括进程状态，CPU寄存器的值等。
通常通过执行一个状态保存来保存CPU当前状态，然后执行一个状态恢复重新开始运行。
上下文切换会对性能造成负面影响。然而，一些上下文切换相对其他切换而言更加昂贵；其中一个更昂贵的上下文切换是跨核上下文切换（Cross-Core Context Switch）。一个线程可以运行在一个专用处理器上，也可以跨处理器。由单个处理器服务的线程都有处理器关联（Processor Affinity），这样会更加有效。在另一个处理器内核抢占和调度线程会引起缓存丢失，作为缓存丢失和过度上下文切换的结果要访问本地内存。总之，这称为“跨核上下文切换”。

6.进程和线程

进程概念  
  进程是表示资源分配的基本单位，又是调度运行的基本单位。例如，用户运行自己的程序，系统就创建一个进程，并为它分配资源，包括各种表格、内存空间、磁盘空间、I／O设备等。然后，把该进程放人进程的就绪队列。进程调度程序选中它，为它分配CPU以及其它有关资源，该进程才真正运行。所以，进程是系统中的并发执行的单位。

线程概念  
  线程是进程中执行运算的最小单位，亦即执行处理机调度的基本单位。如果把进程理解为在逻辑上操作系统所完成的任务，那么线程表示完成该任务的许多可能的子任务之一

进程和线程的关系  
（1）一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。  （2）资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。  
（3）处理机分给线程，即真正在处理机上运行的是线程。  
（4）线程在执行过程中，需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。

注意：

1.Linux是大小写敏感的系统，举个例子，Mozilla, MOZILLA, mOzilla和 mozilla是四个不同的命令(但是只有第四个mozilla是真正有效的命令)。还有，my_filE, my_file,和 my_FILE是三个不同的文件。用户的登录名和秘密也是大小写敏感的(这是因为UNIX系统和C语言的传统一向是大小写敏感所致)。 

2.文件名最多可以有256个字符，可以包含数字，点号”.”，下划线”_”，横杆”-”，加上其他一些不被建议使用的字符。 

3.文件名前面带”.”的文件在输入”ls”或者”dir” 命令时一般不显示。可以把这些文件看作是隐含文件，当然你也可以使用命令”ls –a”来显示这些文件。 

4.“/”对等于DOS下的”\”(根目录，意味着所有其他目录的父目录，或者是在目录之间和目录和文件之间的一个间隔符号)。举个例子，cd /usr/doc。 

5.在Linux系统下，所有的目录显示在单一目录树下(有别于DOS系统的驱动器标识)。这意味着所有的物理设备上的所有文件和目录都合并在单一的目录树下。 

6.在配置文件里，以#打头的行是注释行。在修改配置文件的时候尽量不要删除旧的设置――可以把原来的设置加上”#”变成注释行，总是在修改地方对应地加入一些关于修改的注释，你会发觉在以后的管理中获益多多。 

7.Linux是继承性的多用户操作系统。你的个人设定(和其他用户的个人设定)放在你的主目录下(一般是/home/your_user_login_name)。许多的配置文件的文件名都以”.”开头，这样用户一般看不到这些文件。 

8.整个系统范围的设定一般放在目录/etc下。 

9.和其他的多用户操作系统类似，在Linux下，文件和目录有自己的拥有者和访问权限。一般来说，你只被允许文件到你的主目录下(/home/your_user_login_name)。学习一些关于文件权限管理的相关知识，否则你肯定会觉得Linux实在很麻烦。 

10.命令参数选项一般由”-”引导，后面跟一个字符(或者”--“,当选项超过一个字符时)。这样,”-”有点象DOS下的”/”。举个例子，输入命令 rm --help。

.Linux系统由哪几部分组成？Linux内核处于什么位置？
A：

1)Linux系统由四个部分组成：用户进程，系统调用接口、Linux内核子系统和硬件；
2)Linux内核处于用户进程和硬件之间，包括系统调用接口和Linux内核子系统。

Q3.Linux内核由哪几部分组成？各个子系统的主要功能是什么？
A：

(1)Linux内核除系统调用外，由五个主要的子系统组成：进程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络和进程间通信(IPC)；
(2)各个子系统的主要功能为：
1)进程调度：它控制着进程对CPU的访问，当需要选择一个进程开始运行时，由调度程序选择最应该运行的进程；
2)内存管理：它允许多个进程安全地共享主内存区域，支持虚拟内存；从逻辑上可以分为硬件无关的部分和硬件相关的部分；
3)虚拟文件系统(VFS)：它隐藏了各种不同硬件的具体细节，为所有设备提供统一的接口，支持多达数十种不同的文件系统，分为逻辑文件系统和设备驱动程序；
4)网络：它提供了对各种网络标准协议的存取和各种网络硬件的支持，分为网络协议和网络驱动程序两部分；
5)进程间通信：支持进程间各种通信机制，包括共享内存、消息队列和管道等。

内存寻址
Q1.什么是物理地址？什么是虚地址？什么是线性地址？
A：

1)将主板上的物理内存条所提供的内存空间定义为物理内存空间，其中每个内存单元的实际地址就是物理地址；
2)将应用程序员看到的内存空间定义为虚拟地址空间(或地址空间)，其中的地址就叫做虚拟地址(或虚地址)，一般用“段:偏移量”的形式来描述，如A815:CF2D；
3)线性地址空间是指一段连续的、不分段的、范围为0~4GB的地址空间，一个线性地址就是线性地址空间的一个绝对地址。

Q2.在保护模式下，MMU如何把一个虚地址转换为物理地址？
A：

在保护模式下，内存管理单元(MMU)由一个或一组芯片组成，其功能是指虚拟地址映射为物理地址，即进行地址转换；MMU是一种硬件电路，它包含分段部件和分页部件两个部件，分别叫做分段机制和分页机制，分段机制是把一个虚拟地址转换为线性地址，分页机制是把一个线性地址转换为物理地址。

.Linux内核的状态有哪些？
A：

1)Linux最基本的进程状态有三种：运行态、就绪态和阻塞态(或等待态)；这三种状态之间有四种可能的转换关系：运行态->阻塞态、运行态->就绪态、就绪态->运行态和阻塞态->就绪态；
2)为了管理上的方便，将就绪态和运行态合并为一个状态—可运行态，再包括其它方面的一些改变，将进程状态划分为：可运行态、睡眠(或等待)态(分为深度睡眠态和浅度睡眠态)、暂停状态和僵死状态。

1.Linux目录树结构是怎样的？它与Windows的目录树结构有什么区别？为什么Linux的文件系统采用固定的目录形式？
A：

文件是一个抽象的概念，它是存放一切数据或信息的仓库；
1)Linux的目录树结构为：根目录(/)在上，其它的平行在下；
2)Windows操作系统也是采用树型结构，但其树型结构的根是磁盘分区的盘符，有几个分区就有几个树型结构，它们之间的关系式并列的；而在Linux中，无论操作系统管理几个磁盘分区，这样的目录树只有一个；
3)这样做的原因是：Linux是一个多用户系统，制定这样一个固定的目录规划有助于对系统文件和不同的用户文件进行统一管理；
4)Linux中的文件类型包括：常规文件、目录文件、设备文件、管道文件和链接文件。