《Linux操作系統(tǒng)原理與應用》課件第1章

第1章操作系統(tǒng)概述1.1認識操作系統(tǒng)1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展1.3Linux操作系統(tǒng)概述習題

1.1認識操作系統(tǒng)

1.1.1操作系統(tǒng)的概念

計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成一臺計算機的各個部件，包括中央處理器(CPU)、內(nèi)存和輸入/輸出設(shè)備(I/O設(shè)備)。軟件包括系統(tǒng)軟件和應用軟件。軟件的靜態(tài)形式是存儲在存儲設(shè)備中的程序、數(shù)據(jù)和文檔信息，其動態(tài)形式是運行于CPU和內(nèi)存中的指令流。在計算機系統(tǒng)中，硬件與軟件相互依賴：硬件提供了執(zhí)行計算的能力，軟件控制和使用硬件完成特定的計算任務(wù)。

從資源的角度看，計算機系統(tǒng)內(nèi)的所有硬件以及存儲設(shè)備中的信息都被看做資源，計算機系統(tǒng)的用戶和系統(tǒng)中運行的程序都是這些資源的使用者。計算機系統(tǒng)的資源分為四類，如圖1-1所示。其中，CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備均為硬件資源，而文件則是信息資源。圖1?1計算機系統(tǒng)的資源計算機系統(tǒng)是一個十分復雜的系統(tǒng)，包含了數(shù)量龐大、種類繁多的資源，用戶很難直接操作和管理這些資源。而對資源的調(diào)度或使用方法有任何不當都會直接影響系統(tǒng)效能的發(fā)揮。因此，如何有效地管理和使用系統(tǒng)資源是計算機系統(tǒng)設(shè)計的一個關(guān)鍵問題。目前的解決方案是用軟件來完成全部資源的管理工作，這個軟件就是操作系統(tǒng)。

操作系統(tǒng)(OperatingSystem，OS)是計算機系統(tǒng)中最基本的軟件。它直接管理和控制計算機的資源，合理地調(diào)度資源，使之得到充分的利用，并為用戶使用這些資源提供一個方便的操作環(huán)境和良好的用戶界面。從資源角度看，操作系統(tǒng)是管理和控制計算機資源的軟件。一臺沒有安裝操作系統(tǒng)的計算機稱為裸機，裸機上的資源是無法被利用的。

從用戶角度看，操作系統(tǒng)是用戶與計算機之間的接口。操作系統(tǒng)屏蔽了硬件的細節(jié)，擴展了硬件的能力，為用戶構(gòu)造出一臺更便于使用的抽象的計算機。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，操作系統(tǒng)是在硬件之上的第一層軟件，操作系統(tǒng)包裹了整個硬件，用戶和其他軟件只有通過操作系統(tǒng)才可以使用硬件資源，以及存儲在硬件中的信息資源。在操作系統(tǒng)之上運行的是系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件是指那些為發(fā)揮硬件和系統(tǒng)的功能，使其方便使用而配備的軟件，如編譯系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、各種通信軟件等。應用軟件是為解決某應用問題而設(shè)計的軟件，如文字處理、財會、科學計算、多媒體、計算機輔助制造軟件等?？梢钥闯?，操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中起著支撐應用程序運行以及用戶操作環(huán)境的作用，它是計算機系統(tǒng)的核心與基石，而所有其他軟件都要倚賴操作系統(tǒng)才能運行。圖1-2示意了操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的重要地位。圖1?2操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位1.1.2操作系統(tǒng)的功能

操作系統(tǒng)作為計算機系統(tǒng)的資源管理器，它的功能是管理和控制系統(tǒng)資源。操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)與用戶之間的接口，它要為用戶提供一個良好的使用環(huán)境。這些功能可以歸納為以下5項：

(1)處理機管理。處理機(CPU)是計算機硬件的核心。在多任務(wù)的系統(tǒng)中，同時有多個程序在系統(tǒng)中運行，它們都要占用CPU進行計算。處理機管理的功能是在多道程序之間分配和調(diào)度CPU，協(xié)調(diào)各程序的運行，并最大限度地發(fā)揮CPU的功效。

(2)內(nèi)存管理。內(nèi)存是計算機中比較寶貴的資源。當多個程序運行時，它們都需要一定的內(nèi)存空間來存放程序代碼。內(nèi)存管理的功能是合理地管理有限的內(nèi)存空間，為多道程序分配內(nèi)存，并對各程序的內(nèi)存區(qū)域進行保護，防止互相干擾。內(nèi)存管理的另一項功能是實現(xiàn)內(nèi)存的擴充。

(3)設(shè)備管理。計算機中除CPU和內(nèi)存之外的所有硬件部件都稱為I/O設(shè)備。設(shè)備管理的功能是有效地管理各種設(shè)備，合理地將設(shè)備分配給要求使用的程序，并控制設(shè)備完成指定的輸入/輸出操作。設(shè)備管理的目標一方面是要充分發(fā)揮各個設(shè)備的效能，提高設(shè)備的利用率；另一方面是要隱蔽設(shè)備操作的具體細節(jié)，方便用戶使用設(shè)備。

(4)文件管理。在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中，程序和數(shù)據(jù)都是以文件的形式存儲在存儲設(shè)備(磁盤、磁帶等)中的。文件管理的任務(wù)是有效地組織、管理和存儲文件，方便用戶檢索和使用文件，并對文件實施共享、保密和保護措施。

(5)用戶接口。用戶接口的功能是向用戶提供一個使用系統(tǒng)的良好環(huán)境，使用戶能方便有效地利用系統(tǒng)完成自己的工作。為適應各種需要，操作系統(tǒng)通常提供3類用戶接口，即命令接口、圖形接口和程序接口。前兩者是供用戶在終端上使用的操作界面，后者是供程序員在編制程序時使用的系統(tǒng)調(diào)用界面。

1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀

1.2.1操作系統(tǒng)的發(fā)展

操作系統(tǒng)經(jīng)歷了從無到有、由弱到強的發(fā)展過程。了解操作系統(tǒng)發(fā)展史可以幫助我們發(fā)現(xiàn)操作系統(tǒng)發(fā)展背后的原因、動機和技術(shù)的來龍去脈，從而加深對操作系統(tǒng)本質(zhì)的認識。

操作系統(tǒng)的發(fā)展與計算機硬件體系結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)的發(fā)展分不開。按照計算機硬件的4個時期的劃分，操作系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段。

1.第一代計算機(20世紀40年代中～50年代末)

第一代計算機采用電子管器件設(shè)計，體積非常龐大，運行速度也很慢，主要用于數(shù)值計算。這個時期的機器沒有操作系統(tǒng)，采用機器語言編寫程序，完全靠手工方式來操作機器，方式有手工操作和手工批處理操作兩種。

1)手工操作

最初運行程序的方式是通過插板和連接線來編程，運行時將連線板插入機器中，再在控制臺上用扳鍵設(shè)置參數(shù)，然后按下啟動按鈕啟動機器運行直到程序停止。程序運行中，用戶通過控制板的開關(guān)和狀態(tài)燈來調(diào)試程序。后來出現(xiàn)了讀卡機和紙帶機，取代了連線板。用戶將機器語言的程序和數(shù)據(jù)打在卡片或紙帶上，再用讀卡機或紙帶機將程序讀入機器。

由于用戶在進行手工操作期間計算機處于空閑等待狀態(tài)，因此系統(tǒng)的效率極低。另外，手工操作的難度很大，只有專家級用戶才能勝任。

2)手工批處理操作

20世紀50年代初期，匯編語言和磁帶機誕生，計算機操作進入手工批處理階段。用戶可以事先將一批程序錄在磁帶上，然后啟動機器順序地讀入和執(zhí)行各個程序。磁帶機的傳輸速度高，縮短了程序加載的時間，而批處理方式又縮短了手工裝卸程序的時間，這使系統(tǒng)效率有所提高。

2.第二代計算機(20世紀50年代末～60年代中)

20世紀50年代末，計算機進入了晶體管時代，計算機的運行速度和可靠性都有了明顯的提高，大型機誕生，并開始進入實際應用領(lǐng)域，如少數(shù)大型公司、政府部門和大學等。這個時期的計算機主要用于科學和工程計算，大多用FORTRAN語言和匯編語言編程。由于機器價格昂貴，減少處理機的空閑等待時間成為這個時期主要的研究目標。解決方案就是批處理系統(tǒng)和執(zhí)行程序系統(tǒng)。

1)批處理系統(tǒng)

批處理的含義就是把用戶提交的作業(yè)(作業(yè)是指要計算機完成的一項計算任務(wù)，包括程序、數(shù)據(jù)和控制命令)編成序列，成批地錄在磁帶機上，由常駐內(nèi)存的“監(jiān)督程序”控制一批作業(yè)依次運行。這個“監(jiān)督程序”就是操作系統(tǒng)的雛形，它標志著操作系統(tǒng)的誕生。

批處理系統(tǒng)實現(xiàn)了作業(yè)間的自動轉(zhuǎn)接，縮短了作業(yè)交替時主機的等待時間。但當作業(yè)進行I/O操作時，仍會造成主機大量的空閑等待時間，因而系統(tǒng)效率還是很低。

2)執(zhí)行程序系統(tǒng)

20世紀60年代初期，硬件技術(shù)取得突破性進展，通道和中斷技術(shù)出現(xiàn)。通道是一種專門用作控制外部設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的硬件，中斷機制允許主機在運行時被代表某種事件的信號打斷。利用通道技術(shù)和中斷技術(shù)，主機可以將數(shù)據(jù)傳輸工作交給通道，在通道控制設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的同時，主機繼續(xù)執(zhí)行運算，傳輸完畢后，通道用中斷方式向主機報告，主機響應中斷后執(zhí)行中斷處理程序處理傳輸結(jié)果，然后再繼續(xù)運行原來的程序。這在很大程度上實現(xiàn)了處理機與外設(shè)的并行操作，系統(tǒng)效率因而大大提高。此時的I/O控制與中斷處理程序統(tǒng)稱為“執(zhí)行程序”?！皥?zhí)行程序”就是早期的操作系統(tǒng)。

3.第三代計算機(20世紀60年代中～70年代初)

計算機進入集成電路時代后，系統(tǒng)體積明顯減小，系統(tǒng)性能進一步提高，價格逐漸降低。此時，大型機開始進入商業(yè)領(lǐng)域，小型機也逐漸崛起，高級語言誕生。這一時期也是操作系統(tǒng)的興盛期，涌現(xiàn)出大量操作系統(tǒng)，包括多道批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)和實時系統(tǒng)等。這些奠定了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本框架。

1)多道批處理系統(tǒng)

由于大型機造價很高，機時十分昂貴，因此充分利用系統(tǒng)資源，縮短作業(yè)周轉(zhuǎn)時間，提高系統(tǒng)吞吐量就成為操作系統(tǒng)的一個重要設(shè)計目標。

早期的批處理系統(tǒng)是單道的，即每次只調(diào)入一個用戶作業(yè)運行，因此系統(tǒng)資源的利用率很低。而多道批處理系統(tǒng)同時可容納多個作業(yè)運行，通過合理搭配作業(yè)，使CPU與I/O設(shè)備資源都得到充分的利用，從而極大地提高了系統(tǒng)效率。

2)分時系統(tǒng)

隨著計算機應用逐漸普及，越來越多的普通用戶開始使用計算機來完成日常的工作。為了滿足用戶與系統(tǒng)交互的需要，同時又盡可能地充分利用尚且昂貴的系統(tǒng)資源，分時系統(tǒng)應運而生。分時系統(tǒng)允許多個用戶共享一臺計算機的資源，即在一臺計算機上連接幾臺甚至幾十臺終端機(鍵盤與顯示器)，每個用戶都通過各自的終端機直接與計算機交互，使用這臺計算機的資源，直接與計算機交互。分時系統(tǒng)調(diào)度CPU按固定的時間片輪流為各個終端服務(wù)。由于計算機的處理速度很快，用戶感覺不到分時引起的運行停頓，似乎這臺計算機是自己專用的。

3)實時系統(tǒng)

隨著計算機性能和可靠性的不斷提高，價格的不斷降低，計算機開始進入自動控制等領(lǐng)域。這就要求計算機具備實時處理的能力。實時是指對于特定的輸入事件，系統(tǒng)能夠在限定的時間內(nèi)作出響應并完成對該事件的處理。實時系統(tǒng)就是具有實時響應能力的系統(tǒng)，主要用于過程控制及實時信息處理。

4.第四代計算機(20世紀70年代初至今)

20世紀70年代初，計算機進入大規(guī)模集成電路時代，計算機性能迅速提高，價格不斷下降。尤其是20世紀80年代以來，超大規(guī)模集成電路使得計算機的體積大幅縮小，價格大幅度下降，而性能和可靠性不斷增強。這些因素導致個人計算機飛速發(fā)展和普及，同時計算機網(wǎng)絡(luò)也興起和迅速擴大。伴隨這些發(fā)展，操作系統(tǒng)也相應地向著個人計算、網(wǎng)絡(luò)與分布式計算方向發(fā)展。操作系統(tǒng)的理論日益完善，性能更加穩(wěn)定，操作更加方便。

1)個人操作系統(tǒng)

隨著計算機的普及，個人計算機(PC機)已進入到人們的日常工作和生活中。個人操作系統(tǒng)就是專為PC機設(shè)計的單用戶操作系統(tǒng)，主要供個人用戶完成日常工作、文件編輯和娛樂使用。早期的PC操作系統(tǒng)以DOS為代表，特點是單用戶單任務(wù)和字符命令界面。20世紀80年代末到90年代初，顯示技術(shù)的發(fā)展使顯示設(shè)備的成本不斷降低，PC操作系統(tǒng)開始提供圖形用戶界面。而后隨著PC機的更新?lián)Q代和硬件性能的大幅提升，PC操作系統(tǒng)又引入了多任務(wù)機制，大大提升了系統(tǒng)的使用效率。目前，以Windows系統(tǒng)為代表的PC操作系統(tǒng)已發(fā)展成為成熟的多任務(wù)圖形窗口操作系統(tǒng)。

2)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

從20世紀80年代中期開始，計算機網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展，計算機不再是孤立地存在，而是通過網(wǎng)絡(luò)相互連接，交流和共享信息資源。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)之上增加了對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，實現(xiàn)計算機之間的通信和資源共享。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)還提供了網(wǎng)絡(luò)管理、安全控制等各種網(wǎng)絡(luò)應用功能。

在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的早期，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的應用局限在局域網(wǎng)范圍，使用的協(xié)議也不盡兼容。20世紀90年代初，隨著廣域網(wǎng)和全球互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)逐步走向統(tǒng)一和開放。目前用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的操作系統(tǒng)主要有Unix和Windows兩大類，它們都采用標準的TCP/IP通信協(xié)議和標準的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議，從而消除了系統(tǒng)間的通信障礙，實現(xiàn)了全網(wǎng)絡(luò)的信息交流與資源共享?？v觀操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史，可以看到主導其發(fā)展的兩條主要線索，即硬件和應用。早期操作系統(tǒng)的發(fā)展緊密依賴于硬件，動力在于提高昂貴的硬件資源的利用率。而隨著硬件價格的下降，操作系統(tǒng)更加注重系統(tǒng)的易用性，致力于構(gòu)造方便、安全和可靠的應用環(huán)境。值得注意的是，近年來操作系統(tǒng)的發(fā)展已逐漸走出依附于硬件發(fā)展的局面，形成自身的一套理論體系，并帶動整個軟件產(chǎn)業(yè)走向成熟。1.2.2操作系統(tǒng)的分類

目前，操作系統(tǒng)的分類主要有以下幾種方式。

1.按處理方式分

1)多道批處理操作系統(tǒng)

多道批處理系統(tǒng)(BatchProcessingOS)主要用于大型機系統(tǒng)。多道是指在內(nèi)存中存在多個作業(yè)，同時處于運行狀態(tài)，共享系統(tǒng)資源。當一個作業(yè)等待I/O操作時，CPU不是空閑等待，而是轉(zhuǎn)去執(zhí)行其他作業(yè)。批處理是指在系統(tǒng)外存中存在大量的后備作業(yè)，可隨時調(diào)入內(nèi)存。作業(yè)的執(zhí)行完全由作業(yè)控制語言控制，系統(tǒng)不與用戶交互。所以，有時也稱批處理系統(tǒng)為脫機系統(tǒng)。

多道批處理系統(tǒng)的設(shè)計目標是充分利用系統(tǒng)資源，縮短作業(yè)周轉(zhuǎn)時間，提高系統(tǒng)吞吐量。其代表是IBM大型機操作系統(tǒng)VM、MVS和OS/390。

2)分時操作系統(tǒng)

多道批處理系統(tǒng)追求的目標是充分地利用系統(tǒng)資源，但從用戶的角度看，多道批處理系統(tǒng)的使用很不方便，它有以下缺點：

(1)用戶響應時間長。從用戶提交作業(yè)到拿回運行結(jié)果，可能會等待數(shù)小時甚至數(shù)天。

(2)用戶無法干預運行中的情況。

分時操作系統(tǒng)(TimeSharingOS)的做法是：由多個用戶使用各自獨立的終端共享一臺計算機。系統(tǒng)把CPU的運行時間分為很短的時間片，按時間片輪轉(zhuǎn)法將CPU輪流分配給各個用戶作業(yè)使用。從微觀上看，多個用戶的程序是在交替地運行的，但由于時間片劃分得很小，用戶感覺不到這種交替。所以，從宏觀上看，各個用戶的程序是在同時運行著的。分時系統(tǒng)具有以下特點：

(1)多路性：多個用戶同時使用一臺處理機，各用戶對應的作業(yè)都在同時進行著。

(2)獨立性：多個用戶作業(yè)之間互不干擾，用戶感覺好像是在獨立使用計算機。

(3)及時性：系統(tǒng)對用戶有足夠快的響應時間，用戶覺察不出作業(yè)的停頓。

(4)交互性：用戶利用終端直接與系統(tǒng)交互，發(fā)布命令，觀察作業(yè)的運行狀態(tài)和結(jié)果。

分時系統(tǒng)具有強大的交互、會話與事務(wù)處理能力，因而具有很強的通用性，可用于商業(yè)、教育、辦公等各種領(lǐng)域。分時操作系統(tǒng)的代表是Unix，目前廣泛應用在大、中、小型計算機和工作站中。

3)實時操作系統(tǒng)

實時操作系統(tǒng)(RealTimeOS)是指具有一定實時資源調(diào)度以及通信能力的操作系統(tǒng)?！皩崟r性”是指對特定事件的響應和處理時間是可預知的，在任何情況下都不會超出操作系統(tǒng)所承諾的上限。實時系統(tǒng)的響應時間比分時系統(tǒng)更短，更苛刻，往往要達到毫秒或微秒級。

實時操作系統(tǒng)主要關(guān)注系統(tǒng)的響應性。它的交互能力比較差，不強調(diào)資源利用率，但對響應時間和可靠性的要求很高。通常應用在需要精細的過程控制能力的領(lǐng)域，如航空航天、軍事、醫(yī)療和工業(yè)控制等。常用實時操作系統(tǒng)有QNX、VxWorks、實時Linux等。

2.按規(guī)模和用途分

1)主機操作系統(tǒng)

主機操作系統(tǒng)(MainframeOS)通常是指運行在IBM公司的大型機以及其他廠商制造的兼容主機上的操作系統(tǒng)。大型機與其他計算機的區(qū)別是其強大的輸入/輸出能力以及極高的可靠性。大型機的I/O吞吐量高達每秒數(shù)萬兆字節(jié)以上，而系統(tǒng)的可用性可達100%。為了有效地利用硬件資源，大型機上的操作以批處理作業(yè)為主，主要用于金融和大型企業(yè)的高端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應用服務(wù)器。

目前的主機操作系統(tǒng)有OS/390、z/OS等專用系統(tǒng)以及少數(shù)Unix和Linux系統(tǒng)。近年來，Linux系統(tǒng)開始進入主機系統(tǒng)，它所帶來的自由理念和價格沖擊給沉寂的大型機軟件領(lǐng)域注入了活力。

2)通用操作系統(tǒng)

最常用的操作系統(tǒng)是通用操作系統(tǒng)(GeneralPurposeOS)，它由分時操作系統(tǒng)發(fā)展而來，是分時系統(tǒng)與批處理系統(tǒng)的結(jié)合。其原則是分時優(yōu)先，批處理在后，即在“前臺”以分時方式響應用戶的交互作業(yè)，在“后臺”以批處理方式處理時間性要求不強的作業(yè)。

通用操作系統(tǒng)可以運行在各種具有標準化CPU、存儲和I/O架構(gòu)的通用機型上，包括PC服務(wù)器、工作站、中小型機。其應用范圍覆蓋了大部分的工程、科學和商業(yè)應用。

Unix、Linux、Windows等操作系統(tǒng)都是最常用的通用操作系統(tǒng)。

3)個人操作系統(tǒng)

個人操作系統(tǒng)(PCOS)是運行在PC機上的一種單用戶多任務(wù)的操作系統(tǒng)，也稱為桌面操作系統(tǒng)。這種操作系統(tǒng)是為單個用戶服務(wù)的，但可以同時運行多項任務(wù)。與其他操作系統(tǒng)相比，個人操作系統(tǒng)更注重的是系統(tǒng)的易用性，而不是系統(tǒng)的利用率。它采用友好的圖形界面與人交互，使用方便。此外，個人操作系統(tǒng)還強調(diào)對多媒體和網(wǎng)絡(luò)訪問功能的支持，以滿足用戶日常辦公、學習、娛樂和訪問網(wǎng)絡(luò)等方面的需求。

Microsoft公司的Windows是目前最流行的PC機操作系統(tǒng)，在全球桌面系統(tǒng)中占有九成以上的市場份額。蘋果公司的Mac系統(tǒng)因其美觀的界面和出色的多媒體的質(zhì)量而在圖形工作站占據(jù)龍頭地位。隨著易用性的改進，Linux系統(tǒng)也正逐步進入桌面操作系統(tǒng)領(lǐng)域，但目前還遠未對Windows系統(tǒng)構(gòu)成威脅。

3.按體系結(jié)構(gòu)分

1)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(NetworkOS)是指運行在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上的操作系統(tǒng)，因此也稱為服務(wù)器操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)在內(nèi)核上支持網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具備較強的網(wǎng)絡(luò)通信能力，同時提供包括文件傳輸、遠程登錄、數(shù)據(jù)庫訪問、電子郵件、信息檢索等服務(wù)，使網(wǎng)絡(luò)用戶能夠方便地利用網(wǎng)絡(luò)上的各種資源。由于運行在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，開放性、并發(fā)性、安全性和可靠性都是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的重要指標。

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)主要有Unix、FreeBSD、Linux和Windows。Unix主要應用于高端服務(wù)器，如大型文件系統(tǒng)、大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及關(guān)鍵事務(wù)應用服務(wù)器等。Windows主要應用于中、低端服務(wù)器，如Web服務(wù)器。Linux的應用范圍非常廣泛，適用于從低到高的各種服務(wù)器。

2)分布式操作系統(tǒng)

分布式系統(tǒng)由若干臺計算機組成，它們通過高速局域網(wǎng)互連，形成一個緊密耦合的集群，在同一操作系統(tǒng)的控制下運行，這個操作系統(tǒng)就是分布式操作系統(tǒng)(DistributedOS)。分布式操作系統(tǒng)負責管理分布式系統(tǒng)的各個節(jié)點的資源，并控制分布式程序的運行。在分布式操作系統(tǒng)的控制下，各節(jié)點機協(xié)同工作，并行計算，相互可以充分共享資源，均衡負載，從而獲得極高的整體運算能力。分布式系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢是它的可靠性。機群中的一個節(jié)點失效，不會影響整個系統(tǒng)的運作。目前，分布式系統(tǒng)的性能和可靠性已經(jīng)可以媲美一些大型機系統(tǒng)，而造價卻低得多，因此，它已被看作是未來大型計算系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。但目前的分布式操作系統(tǒng)還沒有進入真正實用的階段，它的研究是操作系統(tǒng)的一個熱門領(lǐng)域。其中，利用Linux構(gòu)造分布式系統(tǒng)也是目前的研究方向之一。

3)嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)(EmbededOS)是運行在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境中，對整個嵌入式系統(tǒng)的資源進行調(diào)度和控制的系統(tǒng)。與其他類型的操作系統(tǒng)相比，嵌入式操作系統(tǒng)具有以下特點：

(1)體積?。呵度胧较到y(tǒng)大多使用閃存(FlashMemory)作為存儲介質(zhì)，因此，嵌入式操作系統(tǒng)必須結(jié)構(gòu)緊湊、體積微小才能在有限空間中運行。

(2)可靠性高：嵌入式系統(tǒng)大多工作在較差的環(huán)境中，因此，嵌入式操作系統(tǒng)應具備處理各種事件(如斷電、誤操作等)的能力，在各種條件下保持正常運行。

(3)實時性強：大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)都是實時系統(tǒng)，很多還是強實時多任務(wù)系統(tǒng)。

目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)包括3Com公司的PalmOS、MicroSoft公司的WinCE、WindRiver公司的VxWorks以及各種嵌入式Linux等。與其他操作系統(tǒng)相比，嵌入式Linux具有源碼開放、內(nèi)核小、效率高、可剪裁、網(wǎng)絡(luò)功能強和成本低等特點，是開發(fā)信息家電等嵌入式系統(tǒng)的理想平臺。

1.3Linux操作系統(tǒng)概述

1.3.1Linux操作系統(tǒng)的發(fā)展背景與歷史

1.?Linux的背景

Linux的誕生和發(fā)展與Unix系統(tǒng)、Minix系統(tǒng)、Internet、GNU計劃有著不可分割的關(guān)系，它們對于Linux有著深刻的影響和促進作用。

1)?Unix系統(tǒng)

1971年，Unix操作系統(tǒng)正式誕生于AT&T公司的Bell實驗室。它是一個多用戶多任務(wù)的分時操作系統(tǒng)。在那個年代，操作系統(tǒng)都是用匯編語言編寫而成的，追求大而全的設(shè)計，使得系統(tǒng)異常龐大和復雜。而此時出現(xiàn)的Unix是第一個用高級語言(C語言)寫成的，它的內(nèi)核只有2萬行代碼，短小精悍，性能卻非常優(yōu)異，令研究者們?nèi)绔@至寶。更為重要的是，Unix的源代碼是公開的，而且在整個20世紀70年代都是免費的，這使它很快就在大學和研究機構(gòu)中流行起來，隨后又被廣泛移植到各種機型的硬件平臺上。經(jīng)過不斷發(fā)展和演變，Unix的應用范圍現(xiàn)已覆蓋了大中小型計算機、工作站以及PC服務(wù)器，尤其是在中小型機以及工作站上始終占有統(tǒng)治地位。如今，Unix已具有30多年的穩(wěn)定運行歷史，以高可靠性、高效率著稱，主要用于重要的商務(wù)運算和關(guān)鍵事務(wù)處理。Unix有如下主要特點：

(1)無可比擬的安全性與穩(wěn)定性，能達到大型主機可靠性指標。

(2)良好的伸縮性，系統(tǒng)內(nèi)核和核外程序均可裁剪，以適合不同規(guī)模的計算。

(3)強大的TCP/IP支持，對Internet的發(fā)展功不可沒。

(4)良好的可移植性，支持廣泛的硬件平臺。

(5)源代碼公開，便于研究和教學。

Unix堪稱操作系統(tǒng)設(shè)計的典范，它的許多優(yōu)秀的設(shè)計思想和理念對后來的操作系統(tǒng)產(chǎn)生了深刻的影響，Linux就是許多類Unix系統(tǒng)中的一個佼佼者。由于Linux的開發(fā)者都具有各種Unix的背景，因此Linux繼承了Unix的優(yōu)秀設(shè)計思想，也集中了Unix的各種優(yōu)點。

2)?Minix系統(tǒng)

Unix是一個商用軟件，雖然它的源代碼是公開的，但不是免費的。Unix高昂的源碼許可證費用令普通用戶無法接受。另外，Unix對硬件平臺的要求也比較高，這限制了它在教學和研究領(lǐng)域的使用。

1987年，荷蘭教授Andrew設(shè)計了一個微型的Unix操作系統(tǒng)——Minix，用于操作系統(tǒng)的研究和教學。Minix非常小巧，可運行在廉價的微機上。它的源代碼是免費的，任何一個用戶都可以得到它、研究它和使用它。Linux的作者Linus就是通過研究Minix系統(tǒng)起步，開發(fā)了最初的Linux內(nèi)核。

3)?Internet

20世紀80年代中期，互聯(lián)網(wǎng)(Internet)逐漸形成，它將全球計算機網(wǎng)絡(luò)連接在一起，使世界各地的用戶能夠通過Internet交流和獲取信息。在互聯(lián)網(wǎng)的早期用戶中，很大一部分是軟件從業(yè)者和愛好者，他們通過Internet切磋技術(shù)、協(xié)同工作、發(fā)布和獲取軟件代碼，逐漸形成一種植根于互聯(lián)網(wǎng)的獨特的“黑客”文化。

Linux是一個誕生于互聯(lián)網(wǎng)時代的產(chǎn)物，它的開發(fā)者是遍布世界各地的無數(shù)個軟件高手，是網(wǎng)絡(luò)把他們的力量匯聚在一起，推動Linux不斷地發(fā)展和壯大起來。如果沒有Internet，Linux還只是個人手中的一個實驗程序。

4)?GNU

20世紀80年代初，自由軟件運動興起。自由軟件運動的目標是減少對軟件使用上的限制，使軟件的發(fā)展更具靈活性。自由軟件提倡四大自由，即運行軟件的自由、獲取源代碼修改軟件的自由、發(fā)布(免費/少許收費)軟件的自由以及發(fā)布后修改軟件的自由。

1983年，自由軟件運動的領(lǐng)導者RichardStallman提出GNU(GNU?’sNotUnix)計劃。GNU計劃致力于開發(fā)一個自由的類Unix操作系統(tǒng)，包括內(nèi)核、系統(tǒng)工具和各種應用程序。GNU系統(tǒng)中的每一個構(gòu)件都是自由軟件，但不都是免費發(fā)布的(如XWindow系統(tǒng)等)。為了保證GNU計劃的軟件能夠被廣泛地共享，Stallman又為GNU計劃創(chuàng)作了通用軟件許可證(GeneralPublicLicense，GPL)。GPL是一個針對免費發(fā)布軟件的具體發(fā)布條款。對于遵照GPL許可發(fā)布的軟件，用戶可以免費得到軟件的源代碼和永久使用權(quán)，可以任意復制和修改，同時也有義務(wù)公開修改后的代碼。

到1991年，GNU已經(jīng)完成了除系統(tǒng)內(nèi)核外的幾乎所有必備軟件的開發(fā)，其中大部分是按GPL許可發(fā)布的。此時，Linux內(nèi)核也正式發(fā)布了。Linux內(nèi)核雖然不是GNU計劃的一部分，但它是基于GPL許可發(fā)布的，也就是說，它被奉獻給了GNU作為系統(tǒng)內(nèi)核。自然地，各種GNU軟件被組合到了Linux內(nèi)核上，構(gòu)成了GNU/Linux這一完整的自由操作系統(tǒng)。

GPL許可與Internet網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，改變了傳統(tǒng)的以公司為主體的封閉式軟件開發(fā)模式，代之以源代碼開放和全球范圍協(xié)作的全新開發(fā)模式。這種開發(fā)模式激發(fā)了世界各地的軟件開發(fā)者的熱情和創(chuàng)造力，推動自由軟件迅速地發(fā)展和壯大。

2.?Linux的發(fā)展歷史

1991年初，芬蘭赫爾辛基大學的學生LinusTorvalds出于個人愛好，決定自己編寫一個類似Minix的操作系統(tǒng)。他在PC機上學習和研究Minix，并參照它開發(fā)出最初的Linux內(nèi)核。1991年9月，Linus通過Internet正式公布了他的第一個“作品”——Linux0.01版。這個系統(tǒng)在網(wǎng)上一出現(xiàn)，立即吸引了許多軟件高手投入到開發(fā)工作中。到1993年，大約有100余名程序員參與了Linux內(nèi)核的編寫和修改工作。在眾多愛好者的幫助下，Linux的完整內(nèi)核被迅速開發(fā)出來。

1994年3月，Linux1.0內(nèi)核發(fā)布。該內(nèi)核具備了完整的類Unix操作系統(tǒng)的本質(zhì)特性，不同的是，Linux是按免費自由軟件的GPL許可發(fā)行的，這是促進Linux快速發(fā)展的決定性因素。更多開發(fā)者開始投入Linux內(nèi)核的開發(fā)、測試和修正工作，還有許多人將GNU項目已開發(fā)出的C庫、gcc、emacs、bash等移植到Linux內(nèi)核上來，使之成為一個完整可用的系統(tǒng)。

1996年6月，Linux2.0內(nèi)核發(fā)布。此時的Linux已經(jīng)進入了實用階段。RedHat等許多軟件公司看好Linux的前景，紛紛介入其中。他們把內(nèi)核、源代碼及應用程序整合在一起，又增加了一些實用工具軟件和圖形界面，形成各種發(fā)行版并開始廣泛發(fā)行。

1998年以來，Linux逐漸獲得商業(yè)認同。很多實力雄厚的商業(yè)軟硬件公司，如IBM、Intel、Sun、Novell、Oracle等紛紛宣布對Linux的投資和支持計劃。這奠定了Linux作為服務(wù)器操作系統(tǒng)進入實際應用領(lǐng)域的地位。

目前，Linux的開發(fā)和發(fā)布模式是：內(nèi)核程序由核心組成員負責更新和發(fā)布，驅(qū)動程序和應用軟件由眾多Linux愛好者、軟件供應商和系統(tǒng)集成商等自行開發(fā)或移植。

近年來，Linux還在蓬勃發(fā)展中。憑借其優(yōu)秀的設(shè)計和不凡的性能，加上知名企業(yè)的大力支持，市場份額逐步擴大。在短短的十幾年中，Linux已從一個為滿足個人愛好而設(shè)計的產(chǎn)物成長為一個充滿競爭力和活力的主流操作系統(tǒng)。1.3.2Linux操作系統(tǒng)的特點

總的說來，Linux是一個遵循POSIX標準的，多用戶、多任務(wù)的自由操作系統(tǒng)。與其他操作系統(tǒng)相比，它有以下顯著特點：

(1)基于Unix設(shè)計，性能出色。Linux繼承了Unix的優(yōu)秀品質(zhì)，具有出色的性能、可靠性和穩(wěn)定性，為系統(tǒng)的安全運行提供了保證。Linux系統(tǒng)可以勝任7?×?24小時不間斷的工作，除非硬件出問題，系統(tǒng)出現(xiàn)死機的概率很小。

(2)遵循GPL許可，自由軟件。Linux遵循GNU的GPL許可證，是自由軟件家族中最重要的一員。用戶可以免費地獲得和使用Linux,并且在GPL許可的范圍內(nèi)自由地修改和傳播,因而是學習、應用、開發(fā)操作系統(tǒng)及其他軟件的理想平臺。

(3)符合POSIX標準，兼容性好。POSIX是基于Unix制定的針對操作系統(tǒng)應用接口的國際標準，目的是為了獲得不同操作系統(tǒng)在源代碼級上的軟件兼容性。Linux是一個符合POSIX標準的操作系統(tǒng)。這就是說，基于POSIX標準編寫的應用程序(包括大多數(shù)Unix、類Unix系統(tǒng)的應用程序)都可以方便地移植到Linux系統(tǒng)上，反之亦然。

(4)可移植性好?？梢浦残允侵笇⒉僮飨到y(tǒng)從一種計算機硬件平臺轉(zhuǎn)移到另一種計算機硬件平臺后，仍能正常運行的能力。Linux的內(nèi)核只有不到10%的代碼采用了匯編語言，其余均采用C語言編寫，因此具備高度可移植性。目前，Linux可以在包括i386、Sparc、Alpha、Mips、PowerPC等在內(nèi)的各種計算機平臺上運行。

(5)網(wǎng)絡(luò)功能強大。Linux是在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)展起來的，它有著與生俱來的強大的網(wǎng)絡(luò)功能。其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議內(nèi)置在內(nèi)核中，性能強、兼容性好，可以輕松地與各種網(wǎng)絡(luò)集成在一起。Linux內(nèi)核外的網(wǎng)絡(luò)應用功能也十分強大，可以運行各類網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

(6)安全性好。Linux系統(tǒng)是針對多用戶和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計的，在設(shè)計之初就充分考慮了安全性。Linux內(nèi)核中采取了許多保障系統(tǒng)資源安全的措施，如文件權(quán)限控制、審計跟蹤、核心授權(quán)等，使得Linux可以十分安全地運行在開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。另外，由于源碼開放，研究者眾多，系統(tǒng)漏洞的修補和更新速度都很快，抵御病毒攻擊的能力也很強。盡管有這些優(yōu)秀的特性，Linux系統(tǒng)還是存在一些問題。目前的主要問題是：入門要求比較高，中文支持不夠好；發(fā)行版本太多，比較混亂，亟待標準化；出自個人之手的應用軟件良莠不齊，用戶需仔細辨別使用；我國對自由軟件版權(quán)的確認和相關(guān)法律還不成熟，所以，當用于商業(yè)目的時要特別注意版權(quán)的細節(jié)問題。1.3.3Linux操作系統(tǒng)的組成

Linux的基本系統(tǒng)由3個主要部分組成：

●

內(nèi)核：運行程序和管理基本硬件設(shè)備的核心程序。

●

Shell：系統(tǒng)的命令行用戶界面，負責接收、解釋和執(zhí)行用戶輸入的命令。

●

文件系統(tǒng)：按一定的組織方式存放在磁盤上的文件集合。

以上部分構(gòu)成的Linux基本系統(tǒng)是系統(tǒng)的最小配置，它使用戶可以運行程序、管理文件和使用設(shè)備。在基本系統(tǒng)之上，用戶可以通過有選擇地附加一些系統(tǒng)和應用軟件(如圖形用戶界面、開發(fā)環(huán)境等)來擴展系統(tǒng)，使其滿足不同的應用需求。圖1-3描述了Linux系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。圖1?3Linux系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.3.4Linux操作系統(tǒng)的版本

“Linux”一詞有兩種不同的含義：從技術(shù)角度上講，Linux指的是一個自由的“類Unix”操作系統(tǒng)的內(nèi)核，由Linus帶領(lǐng)的內(nèi)核團隊維護和發(fā)布。從使用角度看，Linux是指以Linux內(nèi)核為基礎(chǔ)的，包含了系統(tǒng)工具和各種應用的完整的“類Unix”操作系統(tǒng)，這種完整的Linux系統(tǒng)稱為Linux發(fā)行(distribution)版本，由各發(fā)行商或社團組織維護和發(fā)布。

1.?Linux的內(nèi)核版本

所有Linux系統(tǒng)使用的內(nèi)核只有一個版本，由Linus本人帶領(lǐng)的內(nèi)核團隊維護和發(fā)布。內(nèi)核的版本號由三組數(shù)字表示。第一組數(shù)字是主版本號，主版本不同的內(nèi)核在功能上有很大的差異。第二組數(shù)字是次版本號。如果是奇數(shù)，則表示該版為測試版，可能有潛在缺陷；如果是偶數(shù)則表示該版已經(jīng)過嚴格測試，是穩(wěn)定的版本。第三組數(shù)字是修訂序列號，數(shù)字越大則表示功能越強或缺陷越少。目前的內(nèi)核穩(wěn)定主次版本是在2003年12月發(fā)布的2.6版。

2.?Linux的發(fā)行版本

Linux的知名發(fā)行版本多達幾百種，每種發(fā)行版本都以Linux內(nèi)核為基礎(chǔ)，配置的程序也大同小異，通常包括圖形界面、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序、標準系統(tǒng)庫、應用程序等。各版本之間真正的區(qū)別在于其安裝、配置、附加應用、管理工具以及技術(shù)支持的不同。目前比較流行的發(fā)行版本主要有以下幾種：

1)?RedHat和Fedora

RedHat公司是商業(yè)化最成功的Linux發(fā)行商，它的RedHatLinux無論在服務(wù)器上還是桌面系統(tǒng)中都工作得很好。RedHatLinux擁有數(shù)量龐大的用戶和許多創(chuàng)新技術(shù)，并獲得了很多商業(yè)的支持和社區(qū)技術(shù)支持，它的興衰一度成為Linux成敗的晴雨表。RedHat提供了優(yōu)秀的安裝程序、圖形配置工具以及先進的軟件包管理工具RPM，在硬件與軟件兼容性上也做得很好。

2003年底，RedHat公司停止了免費版RedHatLinux的開發(fā)工作，將原RedHatLinux拆分為兩個系列：用于服務(wù)器的商業(yè)化版本RedHatEnterpriseLinux(RHEL)和定位于桌面用戶的免費版本Fedora。RHEL由RedHat公司提供收費的技術(shù)支持和更新，產(chǎn)品測試充分，穩(wěn)定性好，主要用做企業(yè)服務(wù)器系統(tǒng)。Fedora的開發(fā)工作則是采用了由RedHat主辦、社區(qū)支持的開放源代碼項目的形式進行。Fedora采用了許多Linux的最新技術(shù)，版本更新周期短。所有用到企業(yè)版的技術(shù)都要先在Fedora上試驗。因此，F(xiàn)edora是體驗Linux前沿技術(shù)的平臺。但Fedora不提供穩(wěn)定性和支持保證。

2)?Debian和Ubuntu

Debian/GNULinux是最純正的自由軟件Linux發(fā)行版，Debian的所有軟件包都是自由軟件，完全由分布在世界各地的Linux愛好者維護并發(fā)行，因而它的軟件資源十分豐富。Debian非常注重穩(wěn)定性，它的發(fā)行版本變化不快，但特別強調(diào)網(wǎng)絡(luò)維護和在線升級。

Ubuntu是一個基于Debian的較新的發(fā)行版，它擁有Debian所有的優(yōu)點，并在某些方面有所加強。Ubuntu的安裝非常人性化，其默認的桌面系統(tǒng)既簡單又不失華麗。Ubuntu還被譽為對硬件支持最好、最全面的Linux發(fā)行版本之一，許多在