秋招学习至此，再补一点Linux知识，并对常用命令分类后按表格展示，方便以后使用。
1. Linux系统解析
Linux作为一款开源、稳定且高效的类Unix操作系统，自1991年由Linus Torvalds首次发布以来，已从个人项目发展为全球技术生态的核心支柱。其内核（Kernel）负责硬件抽象与资源调度，而完整的操作系统则由内核、GNU工具链及各类软件包组成（通常称为“发行版”，如Ubuntu、CentOS、Debian）。Linux的核心哲学是“一切皆文件”，将设备、目录甚至进程抽象为文件节点，极大简化了系统管理。凭借高安全性、低资源占用和强大的可定制性，Linux广泛应用于服务器集群（全球90%以上的超级计算机运行Linux）、云计算平台（如AWS EC2）、嵌入式系统（路由器、智能设备）及开发环境。尤其在命令行界面（CLI）下，用户能通过简洁的指令高效完成复杂任务，这不仅是系统管理员的必备技能，也是开发者提升效率的关键工具。
相比于图形界面，命令行有着以下优势：
- 效率：批量操作（如
find /logs -name "*.log" | xargs rm一键清理日志）远超GUI点击。 - 可脚本化：命令可写入Shell脚本（.sh文件），实现自动化运维（如每日备份任务）。
- 远程管理：通过SSH连接服务器时，CLI是唯一可行方式（尤其带宽受限场景）。
1.1 Linux内核架构与设计哲学
1.宏内核架构与模块化设计
Linux采用宏内核（Monolithic Kernel）架构，与微内核（如Minix）不同，其核心服务（进程调度、内存管理、文件系统等）均运行在内核空间（特权模式），而非用户空间的服务进程中。这种设计牺牲了部分模块化优势，但极大提升了系统性能（避免了频繁的用户/内核态切换）。
关键特性：
- 动态可加载内核模块（LKM）：通过
insmod/modprobe命令在运行时动态加载/卸载驱动或功能模块（如ext4.ko文件系统模块），既保持了宏内核性能，又实现了功能扩展性。 - 系统调用接口（Syscall）：用户空间程序通过
syscall指令（x86-64架构）或int 0x80（旧架构）触发软中断，进入内核态执行特权操作。例如open()系统调用对应内核中的sys_open()函数。
// Linux内核中系统调用的典型实现（简化版）
SYSCALL_DEFINE3(open, const char __user *, filename, int, flags, umode_t, mode)
{
return do_sys_open(AT_FDCWD, filename, flags, mode);
}2."一切皆文件"的实现机制
Linux将设备、套接字、甚至进程信息抽象为虚拟文件，通过虚拟文件系统（VFS） 统一接口实现。VFS定义了file_operations、inode_operations等结构体，作为底层文件系统（如ext4、procfs）的抽象层。
底层原理：
-
VFS四要素：
- 超级块（super_block）：描述文件系统整体信息（块大小、inode数量等）
- 索引节点（inode）：存储文件元数据（权限、大小、数据块指针）
- 目录项（dentry）：缓存路径名到inode的映射，加速路径解析
- 文件对象（file）：表示进程打开的文件实例（含读写位置）
-
设备文件实现：
/dev/sda（块设备）对应block_device结构，通过register_blkdev()注册；
/dev/ttyS0（字符设备）通过cdev_init()和cdev_add()注册为字符设备。
实例：访问
/proc/cpuinfo时，VFS调用procfs的read()方法，该方法直接从内核数据结构cpuinfo_x86中提取信息，而非读取物理文件。
1.2 进程管理：从fork到调度
1. 进程创建与生命周期
fork()系统调用：
通过写时复制（Copy-on-Write, CoW） 技术高效创建子进程。父进程页表项标记为只读，当任一进程尝试写入时触发缺页异常，内核此时才复制物理页。
// 内核中fork()的关键路径（简化）
struct task_struct *copy_process(...)
{
struct task_struct *p;
p = dup_task_struct(current); // 复制task_struct
copy_thread(...); // 复制线程信息
copy_files(...); // 复制文件描述符表（引用计数+1）
copy_mm(...); // 复制内存描述符（CoW机制）
return p;
}execve()系统调用：
加载新程序替换当前进程镜像，涉及：
- 解析ELF文件头（
/lib/ld-linux.so为动态链接器） - 建立新的虚拟内存布局（代码段、数据段、堆、栈）
- 覆盖原进程的页表
2. 完全公平调度器（CFS）
Linux 2.6.23引入的CFS是基于红黑树的调度算法，核心思想是"完全公平"——按权重分配CPU时间。
关键数据结构：
- vruntime（虚拟运行时间）：
vruntime = 实际运行时间 * (NICE_0_LOAD / 权重)
优先级高的进程权重更大，相同实际时间下vruntime增长更慢，从而获得更多调度机会。 - 红黑树（cfs_rq->tasks_timeline）：
按vruntime排序，最左侧节点为下一个运行的进程。
调度触发时机：
- 时钟中断：当前进程时间片用尽（
timer_interrupt()→scheduler_tick()） - 自愿让出CPU：
sleep()、wait()等系统调用 - 抢占：高优先级进程唤醒（
try_to_wake_up()触发resched_curr()）
性能优化：CFS使用组调度（cgroup） 隔离资源，确保容器/用户组间公平分配CPU。
1.3 内存管理：虚拟地址到物理页的映射
1.分页机制与TLB加速
Linux采用四级页表（x86-64架构）实现虚拟地址到物理地址的转换：
虚拟地址 → PML4 → PDPT → PDE → PTE → 物理页帧
- PML4 (Page Map Level 4)：
第4级页表，包含512个PML4E（PML4 Entries），每个指向一个PDPT。
物理地址来源：CR3寄存器提供PML4表的基地址。 - PDPT (Page Directory Pointer Table)：
第3级页表，包含512个PDPTE，每个指向一个PDE表。
物理地址来源：PML4E中的物理页帧号（PFN）左移12位。 - PDE (Page Directory Entry)：
第2级页表，包含512个PDE，每个指向一个PTE表（或2MB大页）。
物理地址来源：PDPTE中的PFN左移12位。 - PTE (Page Table Entry)：
第1级页表，包含512个PTE，每个直接指向4KB物理页帧。
物理地址来源：PDE中的PFN左移12位。 - 页表项（PTE）结构：
包含物理页帧号（PFN）、访问位（Accessed）、脏位（Dirty）、写保护位（Write Protect）等标志。 - TLB（Translation Lookaside Buffer）：
CPU缓存最近使用的页表项，缺失时触发页表遍历（硬件自动完成）。
2.内存分配策略
-
Slab分配器：
针对内核对象（如task_struct、inode）的高速缓存，避免频繁调用伙伴系统。struct kmem_cache *task_cache = kmem_cache_create("task_struct", sizeof(struct task_struct), ...); struct task_struct *tsk = kmem_cache_alloc(task_cache, GFP_KERNEL); -
伙伴系统（Buddy System）：
管理物理页帧，通过2^n大小的块合并/拆分减少碎片。例如请求3页时，系统分配4页（2^2）。 -
页框回收（kswapd）：
当空闲内存低于/proc/sys/vm/min_free_kbytes时，内核线程kswapd触发回收：- 回收页缓存（Page Cache）
- 回收匿名页（通过Swap）
- OOM Killer（极端情况）
3.内存映射与共享
- mmap()系统调用：
将文件或设备映射到进程地址空间，避免用户/内核态数据拷贝。
cat命令读取大文件时，内核直接将文件页缓存映射到用户空间。 - 匿名映射：
malloc()小内存走brk()，大内存（>128KB）走mmap()，减少堆碎片。
1.4 文件系统：从inode到持久化存储
1.Ext4文件系统核心结构
-
块组（Block Group）：
磁盘被划分为多个块组，每个组包含：- 超级块（Superblock）：文件系统全局信息（备份在多个块组中）
- 块组描述符表（GDT）：记录各块组状态
- inode表：存储文件元数据（每个inode 256字节）
- 数据块：存储文件内容
-
Extent树：
Ext4用Extent替代传统间接块指针，一个Extent可描述连续的物理块范围（如[逻辑块100-200] → [物理块5000-5100]），大幅提升大文件性能。
2.页缓存（Page Cache）与写回机制
- 读操作：
read()系统调用优先从页缓存读取，缺失时触发读I/O（page_cache_sync_readahead预读）。 - 写操作：
- Buffered I/O：先写入页缓存，由
pdflush线程定期回写（默认30秒） - Direct I/O：绕过页缓存（
O_DIRECT标志），用于数据库等场景
- Buffered I/O：先写入页缓存，由
- 写屏障（Barrier）：
确保元数据与数据写入顺序（如先写数据块，再更新inode），防止断电导致文件系统损坏。
1.5 设备驱动与I/O栈
1.块设备I/O调度层
Linux I/O栈从上到下：
应用程序 → VFS → 通用块层（Generic Block Layer） → I/O调度器 → 设备驱动 → 硬件
I/O调度器选项：
- CFQ（Completely Fair Queuing）：为进程分配I/O带宽（已弃用）
- Deadline：为读请求设置超时，防止饥饿
- NOOP：简单FIFO队列，适合SSD
- Kyber：针对NVMe优化的调度器（Linux 4.12+）
电梯合并（Elevator Merge）：
调度器将相邻的I/O请求合并为单个请求，减少磁盘寻道。例如：
[读块10] + [读块11] → 合并为[读块10-11]
2.异步I/O与多队列支持
- 多队列块层（blk-mq）：
Linux 3.13引入，为每个CPU核心创建独立请求队列，消除锁竞争，充分发挥NVMe并行能力。 - io_uring：
Linux 5.1新增的高性能异步I/O接口，通过共享内存环形缓冲区避免系统调用开销，吞吐量比aio高10倍。
1.6 网络子系统：从Socket到网卡
1.TCP/IP协议栈实现
- Socket层：
struct socket封装协议族（AF_INET）和类型（SOCK_STREAM），通过inet_stream_ops绑定TCP操作。 - TCP状态机：
内核维护struct tcp_sock，实现三次握手（TCP_SYN_RECV→TCP_ESTABLISHED）和拥塞控制（CUBIC算法）。 - 零拷贝技术：
- sendfile()：直接从文件页缓存到网络缓冲区
- splice()：通过管道实现用户态零拷贝
2.网络数据包处理
- 网卡中断：数据包到达触发硬中断（
__do_irq） - 软中断（NET_RX）：
napi_gro_receive()处理包（支持GRO合并） - 协议栈处理：IP层（
ip_rcv）、TCP层（tcp_v4_rcv） - Socket队列：数据放入
sk_receive_queue，唤醒用户进程
性能优化：
- RSS（Receive Side Scaling）：多队列网卡将包分发到不同CPU
- XDP（eXpress Data Path）：在驱动层处理包，延迟<1μs
1.7 系统启动流程：从BIOS到systemd
1.内核初始化关键步骤
- 解压内核：
arch/x86/boot/compressed/head_64.S执行自解压 - 设置页表：开启分页模式（
__startup_64） - 初始化子系统：
rest_init()创建kernel_thread（pid=2）kernel_init()挂载根文件系统，启动用户空间init
2.systemd启动流程
1. systemd (PID 1) → 2. 加载单元文件（.service/.target） → 3. 并行启动服务- 关键特性：
- Cgroups集成：每个服务运行在独立cgroup中
- 依赖管理：通过
Wants/Requires声明依赖关系 - 套接字激活：按需启动服务（如sshd）
2. 常用命令分类
以下命令基于Bash Shell（Linux默认Shell），按功能分类说明。重要提示：执行命令前务必确认参数，避免误操作（如rm -rf /将删除全盘数据）。
2.1 文件与目录操作
| 命令 | 示例 | 功能说明 | 典型场景 |
|---|---|---|---|
ls |
ls -lh /var/log |
列出目录内容：-l显示详细权限/大小，-h以KB/MB人性化显示，-a包含隐藏文件（以.开头） |
快速查看日志目录大小及修改时间 |
cd |
cd ~/projects |
切换目录：~代表用户主目录，..返回上级目录 |
开发时快速跳转到项目文件夹 |
mkdir |
mkdir -p data/{2023,2024} |
创建目录：-p递归创建多级目录（自动补全缺失父目录） |
生成年份归档目录结构 |
cp |
cp -r /src /backup/ |
复制文件/目录：-r递归复制目录，-v显示详细过程 |
备份配置文件前先复制到安全位置 |
mv |
mv old.txt new.txt |
移动或重命名文件（移动操作不占用额外磁盘空间） | 重命名日志文件或迁移数据 |
rm |
rm -i *.tmp |
删除文件：-i交互确认（防误删），慎用-rf（强制递归删除无提示） |
清理临时文件时避免误删重要数据 |
find |
find / -name "*.conf" 2>/dev/null |
按名称/类型搜索：2>/dev/null忽略权限错误 |
定位丢失的配置文件 |
grep |
grep "ERROR" /var/log/syslog |
文本过滤：-i忽略大小写，-r递归目录搜索 |
从日志中快速筛选错误信息 |
2.2 权限与用户管理
Linux文件权限分为三类：用户（User）、组（Group）、其他（Others），每类包含读（r=4）、写（w=2）、执行（x=1）。
例如：chmod 755 script.sh → 用户权限=7（rwx），组权限=5（rx），其他用户=5（rx）。
| 命令 | 示例 | 功能说明 |
|---|---|---|
chmod |
chmod g+w file 给组添加写权限 |
修改权限 |
chown |
chown alice:devs file → 所有者为alice，组为devs |
更改所有者 |
sudo |
sudo apt update 以root身份更新软件包 |
临时提权 |
useradd/passwd |
sudo useradd -m bob 创建带主目录的用户 |
创建用户并设密码 |
2.3 系统监控与诊断
| 命令 | 示例 | 功能说明 |
|---|---|---|
top |
top -c |
实时监控CPU/内存：-c显示完整命令，P按CPU排序，M按内存排序 |
htop |
htop（需安装） |
增强版top，支持鼠标操作和树状进程视图 |
df |
df -hT |
查看磁盘空间：-h人性化显示，-T显示文件系统类型（如ext4） |
du |
du -sh /var/log |
统计目录大小：-s汇总，-h人性化显示 |
journalctl |
journalctl -u nginx --since "2023-10-01" |
查看系统日志：过滤Nginx服务自指定日期的日志 |
lsof |
lsof -i :80 |
列出打开的网络连接：检查80端口占用进程（常用于排查端口冲突） |
故障排查流程：
- 用
df -h确认磁盘是否满载- 用
du -sh /var/*定位大目录- 用
lsof查占用进程- 用
journalctl分析错误日志
2.4 网络操作命令
| 命令 | 示例 | 功能说明 |
|---|---|---|
ping |
ping google.com |
测试连通性 |
ifconfig/ip |
ip addr show替代老旧ifconfig |
查看IP配置 |
netstat |
netstat -tuln列出监听端口 |
网络状态统计 |
curl |
curl -I https://example.com获取HTTP头信息 |
数据传输 |
ssh |
ssh user@192.168.1.100 |
安全远程登录 |
2.5 文本处理与管道艺术
| 命令 | 示例 | 功能说明 |
|---|---|---|
cat |
cat /etc/os-release查看系统版本 |
显示文件 |
less |
比more更灵活，支持向前翻页 |
分页浏览大文件 |
sed |
sed 's/foo/bar/g' file全局替换文本 |
流编辑器 |
awk |
awk '{print $1}' access.log提取日志首列IP |
文本分析 |
管道（|） |
ps aux |grep nginx列出所有进程并过滤含nginx的行 |
组合命令 |
2.6 压缩与解压命令
| 命令 | 语法示例 | 功能说明 | 典型场景 |
|---|---|---|---|
tar |
tar -czvf backup.tar.gz /data |
创建gzip压缩包：-c创建，-zgzip压缩，-v详细输出，-f指定文件名 |
定期备份用户数据目录 |
tar |
tar -xzvf backup.tar.gz |
解压gzip压缩包：-x解压，-zgzip，-v详细，-f指定文件 |
恢复误删文件 |
gzip |
gzip logfile.log |
压缩文件为.gz格式（原文件被删除） | 压缩旧日志文件节省磁盘空间 |
gunzip |
gunzip logfile.log.gz |
解压.gz文件（恢复原文件名） | 读取压缩归档日志 |
zip |
zip -r project.zip /project |
递归压缩目录为.zip格式 | 打包项目代码便于分享 |
unzip |
unzip project.zip |
解压.zip文件 | 安装第三方软件包 |
2.7 进程管理命令
| 命令 | 示例 | 功能说明 | 典型场景 |
|---|---|---|---|
ps |
ps aux \| grep nginx |
查看进程：a所有终端，u用户格式，x无终端进程，管道过滤 |
检查Web服务器进程是否运行 |
kill |
kill -15 1234 |
终止进程：-15发送SIGTERM（优雅终止），-9强制终止（慎用） |
关闭占用过高CPU的进程 |
top |
top -p 1234 |
监控指定进程：-p后接PID |
实时观察特定进程资源使用 |
bg |
bg %1 |
将暂停的作业放入后台运行（需先Ctrl+Z暂停） | 让编译任务在后台继续 |
fg |
fg %1 |
将后台作业恢复到前台 | 重新交互式操作后台任务 |
nohup |
nohup ./long_task.sh & |
忽略挂起信号运行命令，输出重定向到nohup.out | 远程执行数据迁移任务 |
安全提示：优先使用
kill -15（SIGTERM）而非kill -9（SIGKILL），避免数据丢失。例如：kill -15 1234 # 尝试优雅终止 sleep 5 # 等待5秒 kill -9 1234 # 仅当进程无响应时强制终止
2.8 软件包管理命令
| 命令 | 示例 | 功能说明 | 典型场景 |
|---|---|---|---|
apt |
sudo apt update && sudo apt upgrade |
更新软件包索引并升级系统（Debian/Ubuntu系） | 定期维护服务器安全 |
apt |
sudo apt install nginx |
安装软件包 | 部署Web服务器 |
yum |
sudo yum install httpd |
安装RPM包（RHEL/CentOS 7及以下） | 配置Apache服务 |
dnf |
sudo dnf install git |
现代RHEL/CentOS替代yum的命令（更高效依赖解析） | 安装开发工具链 |
rpm |
sudo rpm -ivh package.rpm |
安装RPM包（需手动处理依赖，-i安装，-v详细，-h进度条） |
安装特定供应商软件 |
dpkg |
sudo dpkg -i package.deb |
安装DEB包（Debian系底层命令，-i安装） |
修复损坏的Debian包 |
重要提示：不同发行版命令差异显著，操作前确认系统类型（
cat /etc/os-release）。例如：# Ubuntu系统 sudo apt install docker.io # CentOS系统 sudo dnf install docker