笔记

深浅模式

Linux系统概念 ​

Linux 系统概述 ​

Linux，这个诞生于个人兴趣的开源操作系统，如今已成为服务器、嵌入式设备乃至个人电脑领域的主力军。其免费、开源、稳定、高效等特点，使其在全球范围内拥有庞大的用户群体。

什么是 Linux？ ​

Linux 并非一个单一的软件，而是一个操作系统内核。这个内核负责管理系统硬件、进程调度、内存分配等底层任务。Linux 的开源特性使得全球开发者共同参与其开发，不断完善和创新。

Linux 的特点 ​

  • 开源：任何人都可以自由获取、使用、修改和分发 Linux 的源代码。
  • 稳定性：Linux 在长时间运行下表现出极高的稳定性，适合用于构建可靠的服务器。
  • 安全性：相较于其他操作系统，Linux 的安全性更高，这得益于其开源的特性和社区的共同努力。
  • 可定制性：Linux 可以高度定制，以满足各种不同的需求。用户可以通过配置内核、安装不同的软件包来构建个性化的系统。
  • 社区：Linux 拥有全球最大的开源社区，提供丰富的文档、教程和支持。

Linux 的发展历史 ​

从 Unix 到 Linux ​

Linux 的诞生受到了 Unix 操作系统的深远影响。Unix 的哲学、设计理念和工具集为 Linux 提供了坚实的基础。Linus Torvalds 在大学期间，出于对 Unix 的热爱和对当时商业操作系统的不满，决定开发一个属于自己的操作系统。

Linux 的主要版本和发行版 ​

  • Linux 内核：Linux 内核是 Linux 系统的心脏，负责管理系统资源。主要版本有 2.x、3.x 和 4.x 等。
  • Linux 发行版：为了方便用户使用，Linux 社区衍生出了众多发行版，如 Ubuntu、CentOS、Fedora、Debian 等。每个发行版都有自己的特点和目标用户。

Linux 的核心概念 ​

内核（Kernel） ​

  • 内核的作用：内核是系统与硬件之间的桥梁，负责管理系统的所有资源。
  • 内核态与用户态：内核运行在内核态，拥有最高的权限；用户程序运行在用户态，权限受限。
  • 系统调用：用户程序通过系统调用来请求内核执行特权操作。

Shell ​

Shell 的概念：Shell 是一个命令解释器，用户通过 Shell 与系统进行交互，对用户输入到终端的命令进行解析，调用对应的执行程序。

用户在终端输入命令，由shell命令解释器对命令进行解析(按照$PATH环境变量搜索命令)，解析成内核能够识别的指令，然后由内核执行命令，最后由终端显示命令执行的结果给用户。

注意

shell在寻找命令的时候是按照$PATH环境变量去查找的，如果找到了就执行对应的命令，若找不到就报错，执行echo $PATH可以查看PATH环境变量的值。

常用的 Shell：Bash、Zsh、Fish 等。Bash 是最常用的 Shell，提供了强大的命令和脚本功能。

  • shell -- Bourne Shell

    shell
    /bin/sh

  • bash -- Bourne Again Shell

    shell
    /bin/bash

当前系统所使用的shell

shell
echo \$SHELL

当前系统下有哪些shell

shell
cat /etc/shells

切换shell

shell
chsh -s shell的路径
# 例如
chsh -s /bin/zsh

文件系统 ​

文件系统的概念：文件系统是组织和管理文件的方式。 Linux 常用的文件系统：ext4、XFS、Btrfs 等。ext4 是目前最常用的文件系统，具有良好的性能和可靠性。

用户管理 ​

用户和组：Linux 系统中的用户和组用于控制对系统资源的访问权限。 用户管理命令：useradd、userdel、passwd 等。

进程管理 ​

进程的概念：进程是正在运行的程序。 进程管理命令：ps、top、kill 等。

Linux 的基本架构 ​

Linux 系统的层次结构 ​

Linux 系统可以分为内核层、系统调用层、库函数层和用户程序层。

Linux 的启动过程 ​

Linux 系统的启动过程大致分为 BIOS 加载、Bootloader 加载内核、内核初始化、启动用户界面等几个阶段。

Linux 与其他操作系统的区别 ​

Linux 与 Windows 的对比：Linux 开源、稳定、安全，而 Windows 商业化、易用。 Linux 与 macOS 的对比：Linux 和 macOS 都基于 Unix，但 Linux 更开放，macOS 更封闭。

环境变量 ​

环境变量：存储在操作系统中的全局键值对（key-value），用于定义进程的运行环境，影响应用程序的行为。

作用域：

  • 全局环境变量：对所有用户和进程有效（如 /etc/profile）
  • 用户环境变量：仅当前用户生效（如 ~/.bashrc）
  • 临时环境变量：仅当前终端会话有效

核心作用

环境变量作用场景典型值示例
PATH程序搜索路径/usr/bin:/home/user/bin
HOME用户主目录/home/user
LD_LIBRARY_PATH动态库加载路径/usr/local/lib
LANG语言环境设置en_US.UTF-8
PWD当前工作目录/home/user/project

操作命令（shell层面）

  • 查看所有环境变量：
    bash
    env  # 显示所有环境变量
printenv  # 同上
  • 查看特定变量：
    bash
    echo $PATH  # 输出PATH变量值
  • 临时设置变量：
    bash
    export MY_VAR="value"  # 全局环境变量
MY_VAR="value"         # 仅当前shell有效
  • 永久设置变量：
    bash
    echo "export MY_VAR=value" >> ~/.bashrc  # 用户级
sudo echo "export MY_VAR=value" >> /etc/profile  # 系统级
source ~/.bashrc  # 使配置生效
  • 删除变量：
    bash
    unset MY_VAR

在C/C++程序中访问

cpp
#include <cstdlib>
#include <iostream>

int main() {
    char* path = std::getenv("PATH");
    if (path) {
        std::cout << "PATH: " << path << std::endl;
    }
    return 0;
}

常见应用场景

  • 配置搜索路径：将自定义程序目录添加到PATH
  • 动态库依赖：设置LD_LIBRARY_PATH解决找不到.so文件的问题
  • 语言国际化：通过LANG控制字符编码
  • 脚本开发：在shell脚本中引用环境变量（如$HOME）

注意事项

  • 变量名区分大小写：Path ≠ PATH
  • 优先级：用户变量 > 系统变量
  • 安全性：避免在环境变量中存储敏感信息（如密码）
  • 继承性：子进程会继承父进程的环境变量

扩展知识

  • 环境变量与shell变量的区别：
    • 环境变量可被子进程继承，shell变量仅限当前shell
    • 环境变量通过export声明
  • 环境变量配置文件：
    • /etc/profile（系统级全局）
    • ~/.bash_profile（用户登录时加载）
    • ~/.bashrc（交互式shell加载）
  • 特殊变量：
    • $0：当前脚本名称
    • $?：上一条命令的退出状态码
    • $$：当前进程ID

"环境变量是Linux系统中配置运行环境的核心机制，通过定义全局或局部的键值对，控制程序的搜索路径、语言环境、资源依赖等。掌握环境变量的查看、设置、删除方法，以及在C++程序中通过getenv访问，是Linux开发的必备技能。在实际应用中需注意变量作用域、继承性和安全性，合理利用环境变量提升开发效率。"

总结 ​

Linux 作为一款功能强大、灵活可定制的操作系统，在服务器、嵌入式系统、云计算等领域有着广泛的应用。学习 Linux 不仅可以提升计算机系统的理解，还可以掌握更多强大的工具，为未来的发展打下坚实的基础。

拓展阅读 ​

Linux下常用快捷键 ​

tab键的作用 ​

  1. 补齐命令

    如:在终端输入his然后按tab键，会补齐history命令;

    如:输入l然后按tab键，会显示所有以l开头的命令.

  2. 补齐文件(包括目录和文件)

    例如: 如果在执行ls，然后按tab键，会显示当前目录下所有的文件

主键盘快捷键 ​

遍历输入的历史命令

  • 从当前位置向上遍历：ctrl + p（↑）
  • 从当前位置向下遍历：ctrl + n（↓）

注意：使用history命令可以显示用户输入的所有命令。

光标位置移动

  • 光标左移： ctrl + b （←）
  • 坐标右移： ctrl + f （→）
  • 移动到头部： ctrl + a（home）
  • 移动到尾部： ctlr + e（end）

字符删除

  • 删除光标前边的字符：ctrl + h（Backspace）

  • 删除光标后边的字符：ctrl + d

    光标后边的字符即光标覆盖的字符，例如

    执行该命令，删除的是字符W

  • 删除光标前所有内容：ctrl + u

  • 删除光标后所有内容：ctrl + k

man手册 ​

在使用Linux系统及进行Linux系统编程的时间，有任何不懂的地方都可以查阅man手册进行学习。使用命令man man可以阅读man手册的帮助文档

man手册的内容 ​

该手册分为多卷：第一卷是用来查看 shell 命令的；第二卷是用来查看系统调用相关信息的；第三卷是用来查看 库函数信息的...

shell
1 可执行程序或 shell 命令
2 系统调用(内核提供的函数)
3 库调用(程序库中的函数)
4 特殊文件(通常位于 /dev)
5 文件格式和规范，如 /etc/passwd
6 游戏
7 杂项(包括宏包和规范，如 man(7)，groff(7))
8 系统管理命令(通常只针对 root 用户)
9 内核例程 [非标准]

man 命令的格式如下：

shell
$ man [手册编号] cmd

比如，我们可以这样用：

shell
$ man man
$ man 3 mkdir

进入帮助界面后，我们可以按下面按键浏览帮助信息：

shell
d(down): 往下翻半页
u(up): 往上翻半页
f(forward): 往下翻一整页
b(backward):往上翻一整页
q(quit): 退出

如果遇到查询库函数查询不到的情况需要先，安装以后就可以进行查看了

shell
sudo apt install manpages-posix-dev -y

Tips

我们还可以查看指定语言的man手册条目，在这之前要先确定我们系统中已经安装的语言

bash
locale -a

# 输出示例
➜  ~ locale -a
C
C.utf8
POSIX
en_US.utf8
zh_CN.utf8
➜  ~

我们可以使用以下命令来指定要查看哪种语言的man手册条目

bash
man -Lzh_CN man   # 中文
man -Len_US man   # 英文
man -Len man   # 英文

如果是未知语言，会自动fallback到系统默认语言。其实前面的locale -a只是起到确定-L参数的值的作用，不在里面的其实也可以，只要安装了对应的man pages，比如意大利语： man -Lit man

man手册阅读步骤 ​

  1. 先阅读名字

  2. 看声明和返回值

    • -->
    • -->

  3. 细节 按需查看

在线man手册 ​

结语 ​

本文仅对 Linux 系统的概念进行了初步的介绍，Linux 的世界博大精深，还有很多值得探索的领域。希望本文能激发你对 Linux 的兴趣，鼓励你深入学习。

面试题 ​

内核态和用户态的区别是什么？ ​

内核态和用户态的区别主要体现在三个方面：

  1. 权限：用户态程序受限，无法直接操作硬件；内核态拥有最高权限。
  2. 内存访问：用户态仅能访问用户空间，内核态可访问全部地址。
  3. 切换机制：通过系统调用、中断或异常触发切换。

以C++的new操作为例，常规分配在用户态完成，但内存不足时会触发内核态的系统调用。在网络编程中，频繁切换会带来性能损耗，可通过零拷贝技术优化。理解这些机制有助于设计高性能后端系统。

Details

在C++后端开发岗位的面试中，回答“内核态和用户态的区别”需要从底层原理、实际编程场景和性能优化等多个维度展开，以下是系统性回答建议：

一、核心区别与原理

  1. 权限级别
    • 用户态：应用程序运行时的受限模式，CPU只能执行非特权指令（如普通运算），无法直接访问硬件设备或内核数据结构。例如，用户态程序无法直接操作网卡或磁盘，必须通过系统调用委托内核完成。
    • 内核态：操作系统内核运行的最高权限模式，CPU可执行所有指令（包括特权指令），能直接访问内存、硬件设备（如修改页表、响应中断）。例如，处理缺页异常时，内核会直接修改进程的内存映射表。

  2. 内存访问范围
    • 用户态仅能访问用户空间（如Linux的0x00000000-0xBFFFFFFF），而内核态可访问全部虚拟地址空间（包括内核共享的3GB-4GB区域）。

  3. 切换触发机制
    • 系统调用：用户程序主动请求内核服务（如文件读写、网络通信），通过syscall指令触发软中断（如x86的int 0x80）。
    • 硬件中断：外部设备触发（如网卡收到数据包），CPU暂停用户态进程，执行中断处理程序。
    • 异常：执行非法操作（如除零错误、页缺失）时自动切换到内核态处理。

二、C++开发中的实际场景

  1. 动态内存分配（new操作符）
    • 常规内存分配（如小对象）由用户态的内存池（如malloc管理的堆）完成，无需切换内核态。
    • 当用户态堆内存不足时，会通过brk或mmap系统调用扩展虚拟内存，此时触发内核态切换。例如分配超大数组int* arr = new int[1e9]可能触发此过程。

  2. 网络编程优化
    • 频繁的read/write系统调用会产生切换开销，高性能场景可通过零拷贝技术（如sendfile）或用户态协议栈（如DPDK）减少切换次数。

三、回答加分点

  1. 切换成本分析
    • 上下文切换需保存寄存器、程序计数器等状态，并切换内核栈，通常需要数百到数千CPU周期。在IO密集型系统中，频繁切换可能成为性能瓶颈。

  2. 优化策略
    • 批量处理：合并系统调用（如writev替代多次write）。
    • 内存池设计：预分配大块内存减少内核态切换（参考tcmalloc/jemalloc原理）。

系统调用和库函数的区别是什么？ ​

系统调用是操作系统内核提供的底层接口（如open()），需切换到内核态执行，直接操作硬件但开销大；库函数（如fopen()）运行于用户态，封装了系统调用以提升易用性，适合高频或跨平台场景。两者在权限、性能、可移植性上各有优劣，实际开发中常结合使用。例如，printf()最终通过write()输出，但添加了缓冲优化。

Details

系统调用（System Call）与库函数（Library Function）是程序与操作系统交互的两种不同机制，它们在功能、执行层级、性能开销等方面存在显著差异。以下是两者的核心区别与联系：

一、定义与执行层级

  1. 系统调用
    • 定义：由操作系统内核提供的接口，允许用户程序请求内核服务（如文件操作、进程管理、硬件控制等）。
    • 执行层级：运行于内核态（Kernel Mode），需要从用户态切换到内核态，涉及中断和上下文切换。
    • 示例：open()（打开文件）、fork()（创建进程）、write()（写入数据）。

  2. 库函数
    • 定义：由编程语言或第三方库提供的函数，封装了常用功能（如字符串处理、数学运算等），可能间接调用系统调用。
    • 执行层级：运行于用户态（User Mode），不涉及内核态切换。
    • 示例：fopen()（文件打开）、printf()（格式化输出）、strcpy()（字符串复制）。

二、核心区别

对比维度系统调用库函数
权限与安全性直接访问硬件和内核资源，安全性由内核保障仅能访问用户空间资源，安全性较低
性能开销需用户态/内核态切换，开销较大（微秒级）无状态切换，开销小（纳秒级）
可移植性依赖操作系统内核，移植性差通过封装屏蔽底层差异，跨平台兼容性好
功能封装直接操作硬件或内核资源，功能单一可能整合多个系统调用，提供更高级的抽象（如缓冲I/O）

三、具体场景分析

  1. 文件操作
    • 系统调用：open()直接打开文件，返回文件描述符，无缓冲。
    • 库函数：fopen()封装了open()，并添加缓冲区管理，减少频繁读写开销。

  2. 网络通信
    • 系统调用：socket()创建套接字，send()发送原始数据。
    • 库函数：printf()可能调用write()，并处理格式化字符串。

  3. 性能权衡
    • 系统调用适用于需直接操作硬件的场景（如设备驱动开发）。
    • 库函数适合高频调用或需要跨平台的通用功能（如字符串处理）。

四、联系与协作

  1. 依赖关系：部分库函数通过封装系统调用实现功能。例如：
    • fread()内部调用read()。
    • malloc()可能使用sbrk()调整堆内存。

  2. 互补性：
    • 系统调用提供底层能力，库函数优化易用性（如缓冲机制）。
    • 开发者需根据场景选择：直接系统调用（高性能需求） vs. 库函数（开发效率）。

通过理解两者的差异与协作机制，开发者能更高效地平衡性能与开发复杂度。

系统调用和函数调用的开销 ​

系统调用开销远高于函数调用，核心原因是用户态/内核态切换、权限检查、数据拷贝和上下文保存。单次系统调用耗时约200ns~15μs（是函数调用的几十倍），且涉及数千条CPU指令。优化手段包括缓冲批量处理（如writev）、零拷贝技术（如mmap）和异步I/O（如io_uring）。例如，高并发日志系统通过批量写入将系统调用次数降低90%。

Details

系统调用与函数调用的开销差异主要体现在用户态与内核态的切换、权限检查、上下文保存/恢复等环节。以下是两者的核心区别及开销分析：

一、开销差异的核心原因

  1. 用户态与内核态切换
    • 系统调用：需要从用户态切换到内核态，涉及CPU特权级别（如x86的Ring 3到Ring 0）和页表的切换。此过程需要保存用户态寄存器和栈信息，切换到内核栈，并触发中断处理程序（如int 0x80或syscall指令），导致CPU流水线中断和缓存失效。
    • 函数调用：完全在用户态执行，仅涉及用户栈的压栈、跳转指令（如call），无需特权切换或上下文保存，CPU缓存命中率高。

  2. 权限检查与数据安全性
    • 系统调用：需验证参数有效性（如内存地址是否属于用户空间）、执行权限等安全机制，可能导致多次内存访问和条件判断。
    • 函数调用：无内核权限检查，参数传递和内存访问仅需用户态校验，效率更高。

  3. 数据拷贝与内存访问
    • 系统调用：输入/输出参数需在用户空间和内核空间之间拷贝（如read将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区），涉及额外的内存操作。
    • 函数调用：参数通过栈或寄存器直接传递，无跨空间拷贝开销。

  4. 中断与上下文切换
    • 系统调用：触发软中断或syscall指令，需保存/恢复完整的执行上下文（如SS、ESP、EFLAGS寄存器），导致CPU流水线刷新和TLB失效。
    • 函数调用：仅需保存返回地址和局部寄存器，无中断处理流程。

二、量化对比

  1. 时间开销
    • 系统调用：单次耗时约 200ns~15μs（具体因系统调用类型和硬件而异）。例如：空系统调用（如getpid）约200ns，带数据拷贝的系统调用（如read）可达微秒级。
    • 函数调用：单次耗时约 1~10ns，仅为系统调用的 1/20~1/100。

  2. CPU指令数
    • 系统调用：单次需执行数千条指令（如权限检查、中断处理、数据拷贝）。实验显示，100万次read调用消耗约 10亿条指令。
    • 函数调用：通常仅需几十条指令（如参数压栈、跳转、返回值处理）。

  3. 上下文切换开销
    • 系统调用：涉及用户态与内核态的完整上下文切换，单次消耗约 500~2000 CPU周期。
    • 函数调用：无上下文切换，仅需处理栈帧变化。

三、优化策略（减少系统调用开销）

  1. 缓冲与批量处理
    • 使用缓冲区（如fopen代替open）或批量操作（如writev聚合多个write调用），减少调用次数。
    • 示例：高并发日志系统中，批量写入4KB数据而非单次写入小数据，可降低90%的系统调用次数。

  2. 零拷贝技术
    • 使用mmap或splice避免数据在用户空间与内核空间之间的冗余拷贝。

  3. 用户态替代方案
    • 利用vdso（Virtual Dynamic Shared Object）在用户态直接执行部分系统调用（如gettimeofday），避免切换内核态。

  4. 异步与非阻塞调用
    • 使用epoll或io_uring实现异步I/O，减少阻塞等待时间。

四、实际场景对比

场景系统调用函数调用
文件读写read/write需跨空间拷贝和权限检查fread/fwrite利用用户态缓冲减少调用
网络通信send/recv触发协议栈处理和软中断用户态协议栈（如DPDK）绕过内核开销
高并发日志系统频繁write导致CPU sys态占用40%+双缓冲队列+批量写入优化至5%以下