本文將介紹一系列與Linux系統編程有關的概念，
作業系統的核心——內核
作業系統 System 、內核 kernel
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廣義指完整的軟體包，這包括用來管理計算機資源的核心層軟體，以及附帶的所有標準軟體工具，諸如命令列解釋器、圖形用戶界面、檔案操作工具和文本編輯器等，
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狹義指管理和分配計算機資源（即CPU、RAM和設備）的核心層軟體，
術語“內核“通常是第二種含義，"作業系統”一般也是這層意思，
內核為管理計算機的有限資源所提供了軟體層，
內核的職責
- 行程調度：每個行程都能獲得對CPU的使用權，但是哪些行程能獲得對CPU的使用，使用多長時間，這些都由內核行程調度程式（而非行程本身）決定，
- 記憶體管理：物理記憶體（RAM）屬于有限資源，內核必須公平、高效地方式在行程間共享這一資源，
- 檔案系統：內核在磁盤之上提供有檔案系統，允許對檔案執行創建、獲取、更新以及洗掉等操作，
- 創建和終止行程：內核可將新程式載入記憶體（創建行程），為其提供運行所需的資源(比如CPU、記憶體以及對檔案的訪問等)，這樣一個運行中的程式我們稱之為“行程”，一旦行程執行完畢，內核還要確保釋放其占用資源（終止行程），以供后續程式重新使用，
- 對設備的訪問：計算機外接設備(滑鼠、鍵盤、磁盤和磁帶驅動器等)可實作計算機與外部世界的通信,這一通信機制包括輸入、輸出或是兩者兼而有之，內核既為程式訪問設備提供了簡化版的標準介面，同時還要仲裁多個行程對每一個設備的訪問，
- 聯網：內核以用戶行程的名義收發網路訊息(資料包)，該任務包括將網路資料包路由至目標系統，
- 提供系統呼叫應用編程介面（API）：行程可利用內核入口點（也稱為系統呼叫）請求內核去執行各種任務，
- 多用戶使用：每個用戶都可以登陸進行系統，獨立操作，而與其他用戶大致無干，內核負責解決（多行程）訪問硬體資源時可能引發的沖突，而用戶和行程不需要關心，
內核態和用戶態
現代處理器架構一般允許CPU至少在兩種不同狀態下運行，即：用戶態和核心態(有時也稱之為監管態)
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用戶態 User mode
CPU只能訪問被標記為用戶空間的記憶體，試圖訪問屬于內核空間的記憶體會引發硬體例外，
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內核態 kernel mode
當運行于核心態時，CPU既能訪問用戶空間記憶體，也能訪問內核空間記憶體，
只有當處理器在核心態運行時，才能執行某些特定操作，比如宕機(halt)指令去關閉系統，訪問記憶體管理硬體，以及設備I/O操作的初始化等，這確保了用戶行程既不能訪問內核指令和資料結構，也無法執行不利于系統運行的操作，
以行程及內核視角檢視系統
在完成諸多日常編程任務時，程式員們習慣于以面向行程(process-oriented)的思維方式來考慮編程問題，然而為了更高視角看問題，有必要轉換視角，站在內核的角度上來看問題，
對行程來說，許多事件的發生都無法預期，
- 行程不清楚自己在RAM中的位置，或者換種更通用的說法，行程記憶體空間的某塊特定部分如今到底是駐留在記憶體中還是被保存在交換空間里，行程本身并不知曉，
- 與之類似，行程也鬧不清自己所訪問的檔案“居于“磁盤驅動器的何處，只是通過名稱來參考檔案而已，
- 行程的運作方式堪稱“與世隔絕“，行程本身無法創建出新行程，哪怕“自行了斷”都不行，
- 最后還有一點,行程也不能與計算機外接的輸入輸出設備直接通信，
內核則是運行系統的中樞所在，對于系統的一切無所不知、無所不能，為系統上所有行程的運行提供便利，
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由哪個行程來接掌對CPU的使用，何時“接任“，“任期“多久，都由內核說了算，
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在內核維護的資料結構中，包含了與所有正在運行的行程有關的資訊，隨著行程的創建、狀態發生變化或者終結，內核會及時更新這些資料結構，
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內核所維護的底層資料結構可將程式使用的檔案名轉換為磁盤的物理位置，
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此外，每個行程的虛擬記憶體與計算機物理記憶體及磁盤交換區之間的映射關系，也在內核維護的資料結構之列，
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行程間的所有通信都要通過內核提供的通信機制來完成，
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回應行程發出的請求，內核會創建新的行程，終結現有行程，
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最后，由內核(特別是設備驅動程式)來執行與輸入/輸出設備之間的所有直接通信，按需與用戶行程互動資訊，
shell
shell是一種具有特殊用途的程式，主要用于讀取用戶輸入的命令，并執行相應的程式以回應命令，有時，人們也稱之為命令解釋器，
術語登錄shell（login shell）是指用戶剛登錄系統時，由系統創建，用以運行shell的行程，對UNIX系統而言，shell只是一個用戶行程，
縱觀UNIX歷史，出現過以下幾種重要的shell，
- Bourne shell：這款由Steve Bourne 撰寫的shell歷史最為悠久，且應用廣泛，曾是第七版UNIX的標配shell，Bourne shell包含了在其他shell中常見的許多特性：I/O重定向、管道、檔案名生成(通配符)、變數、環境變數處理、命令替換、后臺命令執行以及函式，對于所有第七版UNIX之后的系統而言，除了可能提供有其他shell之外,都附帶了Bourne shell，
- C shell (csh)：由Bill Joy于加州大學伯克利分校撰寫而成，其命名則源于該腳本語言的流控制語法與C語言有著許多相似之處，C shell當時提供了若干極為實用的互動式特性，并不為Bourne shell所支持,這其中包括命令的歷史記錄、命令列編輯功能、任務控制和別名等，C shell與Bourne shell并不兼容，盡管C shell曾是BSD系統標配的互動式shell，但一般情況下，人們還是喜歡針對Bourne shell撰寫shell腳本，以便其能夠在所有UNIX實作上移植，
- Korn shell (ksh) : AT&T貝爾實驗室的David Korn撰寫了這款shell, 作為Bourne shell的“繼任者”，在保持與Bourne shell兼容的同時,Korn shell還吸收了那些與Cshell 相類似的互動式特性，
- Bourne again shell (bash)：這款shell是GNU專案對Bourne shell的重新實作，Bash提供了與Cshell和Korn shell 所類似的互動式特性，Brian Fox和ChetRamey是bash的主要作者，bash或許是Linux上應用最為廣泛的shell了，在Linux上，Bourne shell (bash)其實正是由bash仿真提供的，
- Z shell(Zsh)：是一款可用作互動式登錄的shell及腳本撰寫的命令解釋器，Zsh對Bourne shell做出了大量改進，同時加入了Bash、ksh及tcsh的某些功能，自2019年起，macOS的預設Shell已從Bash改為Zsh，
--整理自《Linux/UNIX系統編程手冊》
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標籤：Linux