系统构成与 Shell

一句话总结：内核管硬件、Shell 管命令——Linux 启动的每一步、你敲的每条命令，都能在这套结构里找到位置。
环境：Rocky Linux / CentOS 9，bash。

一、Linux 系统构成（功能维度）

操作系统从运行空间上大致分为内核空间和用户空间。用户空间跑应用和系统库，内核空间跑内核。两者之间通过系统调用接口交互：应用通过系统库发起系统调用，CPU 从用户态切换到内核态，内核处理请求——可能是操作硬件，也可能是管理进程、内存、文件系统等——处理完再返回用户态。用户态和内核态是 CPU 的特权级状态，系统调用、中断、异常是进入内核态的入口。

从功能上看，系统分成两大部分：

由此产生两个“态”：

用户态和内核态是 CPU 的两种特权级别，不是接口。
用户态运行应用，内核态运行内核和驱动。
系统调用接口是用户态进入内核的通道。
硬件由内核态管理，应用通过系统调用请求内核服务。

一次 cat /etc/passwd 的路径：bash（用户态）→ open()/read() 系统调用 → 内核态读磁盘 → 把数据拷回用户态 → 打印。

二、文件维度：bootfs 与 rootfs

操作系统来自 ISO 镜像，里面是一堆系统文件，分两大类：

BIOS 固定只找第一个扇区；后续文件怎么找，是 bootloader 的事。

三、进程与程序

操作系统把硬盘里的程序读进内存，再让 CPU 执行指令，程序才“跑起来”变成进程。

进程是操作系统最核心的概念——CPU 调度、内存分配、权限控制，全是围着进程转的。

ps aux          # 看所有进程
ps -ef | grep sshd
top             # 动态看资源占用
kill -9 PID     # 强杀

四、启动流程（BIOS → 内核 → systemd）

加电
 └─> BIOS/UEFI 自检，找启动盘（固定读第一个扇区）
      └─> MBR/GPT 里的 bootloader（GRUB2）
           └─> 加载内核 vmlinuz + initramfs 到内存
                └─> 内核初始化硬件、挂载根文件系统
                     └─> 启动第一个用户态进程 systemd（PID 1）
                          └─> 按 default.target 拉起各项服务

进程的“族谱”：

pstree -p | head        # 看进程树
ps -p 1 -o pid,comm     # 确认 1 号进程

五、运行级别与 target

systemctl get-default                        # 查看默认
systemctl set-default multi-user.target      # 永久切字符界面
systemctl set-default graphical.target       # 永久切图形界面
init 3 / init 5 / init 0 / init 6            # 临时切换（老写法）
yum -y group install "Server with GUI"       # 装图形桌面

六、Shell 是什么

Shell = 命令解释器，翻译成“壳”，表达了对系统调用封装的思想：你在壳里敲命令，它替你去调内核。

• 启动级别为 3 时，系统登录后给你一个铺满屏幕的字符终端，里面跑的就是 shell。
• 常见种类：bash（默认）、sh、zsh、ksh、csh。
• 查看当前 shell：echo $SHELL、ps -p $$。

配置文件（登录时读哪些）：

source ~/.bashrc     # 改完立即生效，等价于 . ~/.bashrc

七、命令的三段式与查找优先级

ls -l /boot
│  │  └── 参数：操作目标
│  └───── 选项：控制怎么做（可省略）
└──────── 命令：做什么

同一个名字可能有很多来源，bash 按固定顺序找：

type ls          # 看它到底是什么：别名/内建/文件
type -a ls       # 所有可能来源
which ls         # 只找 PATH 里的可执行文件
whereis ls
hash -r          # 清空哈希缓存（换了新版本命令后常用）

八、各种“命令”的写法

# 别名：临时生效，写进 ~/.bashrc 才永久
alias ll='ls -lh'
unalias ll

# 函数
f() { echo 111; echo 222; }
f

# 复合命令
for ((i=0;i<3;i++)); do echo 66666; done

# 内建命令
type cd pwd type

九、bash 快捷键与历史

history          # 带编号的历史
!123             # 执行第 123 条
!!               # 上一条命令
!$               # 上一条命令的最后一个参数
history -c       # 清空历史

十、环境变量与 PATH

环境变量是进程运行环境的配置字典：路径、语言、代理、编辑器参数都靠它，让程序不改代码就能适配环境。

export PATH="$PATH:$HOME/bin"   # 让 shell 额外去 ~/bin 找命令
echo $PATH                      # 冒号分隔的一堆目录

永久生效：写进 ~/.bashrc（用户）或 /etc/profile.d/xxx.sh（全局）。

十一、Shell 脚本入门

脚本 = 把完成某个任务的一串命令放进一个文件。

#!/bin/bash
# 第一行 shebang 指定解释器
echo "hello"
ls -l /tmp

chmod +x mmm      # 赋予执行权限
./mmm             # 用相对路径执行

想让 mmm 在任何目录都能直接敲，两种办法：

1. 把脚本放进 PATH 里的某个目录（如 ~/bin、/usr/local/bin）；
2. 把脚本所在目录加进 PATH。

十二、常用系统命令

集群里时间一致非常重要：所有机器都向 NTP 服务器对时（chronyd）。生产环境时间漂移会导致日志对不上、证书校验失败、数据库主从异常。

速查表

systemctl get-default
systemctl set-default multi-user.target
hostnamectl set-hostname test
ip a; nmcli conn up ens33
date "+%F %T"; timedatectl
uname -a; cat /etc/redhat-release
type -a ls; which ls; hash -r
alias ll='ls -lh'; unalias ll
export PATH="$PATH:$HOME/bin"
echo $SHELL; ps -p $$
history | tail; !$
systemctl status sshd; systemctl restart sshd

常见坑

1. alias 只在当前 shell 有效，想永久必须写进 ~/.bashrc 再 source。
2. 改 ~/.bashrc 后不 source，新开窗口才生效。
3. ./script.sh 和 script.sh 不一样：不带 ./ 会去 PATH 里找。
4. 脚本没有 chmod +x 就执行会报 Permission denied。
5. export 只影响当前进程及其子进程，不影响父进程。
6. 误改 PATH 导致命令全找不到时，用绝对路径 /bin/ls 先救急，再改回配置。
7. history -c 清空后，~/.bash_history 里可能还留着（退出时才写入）。

练习（15 题）

1. 内核和系统调用接口分别负责和谁打交道？
2. 用户态和内核态最本质的区别是什么？
3. bootfs 和 rootfs 各包含什么？
4. 写出 Linux 从加电到 systemd 启动的主要步骤。
5. PID 1 和 PID 2 分别是什么进程，各自负责什么？
6. 把系统默认启动方式永久改成字符终端，写出命令。
7. 查看当前系统默认 target 和上次启动耗时。
8. 当前 shell 是哪种？用什么命令查看？
9. 一条命令同时显示 ls 是别名、函数还是外部命令。
10. 清除 bash 的命令哈希缓存，写命令并说明为什么要清。
11. !$ 和 !! 分别代表什么？
12. 把 ~/bin 加入 PATH，并且只对当前会话生效。
13. 写一个最简单的 shell 脚本并让它能执行。
14. 查看主机名、系统版本、内核版本，各一条命令。
15. 集群为什么必须保证时间一致？用什么服务对时？

答案与解析

1.

系统调用接口负责和上层应用程序打交道，内核负责和下层硬件打交道。

2.

用户态代码权限受限、不能直接操作硬件，只能通过系统调用请求内核；内核态拥有最高权限，可以直接访问硬件和所有内存。

3.

bootfs 在系统启动前使用，包含 bootloader、内核 vmlinuz、initramfs；rootfs 是启动后挂载的根文件系统，就是 /etc、/usr、/var 这些目录和文件。

4.

加电 → BIOS/UEFI 自检并找启动盘 → 读取第一个扇区的 bootloader（GRUB2）→ 加载内核和 initramfs → 内核初始化硬件并挂载根文件系统 → 启动 systemd（PID 1）→ 按 default.target 拉起服务。

5.

PID 1 是 systemd（旧系统是 init），所有用户态进程的祖先，负责服务管理、挂载、登录；PID 2 是 kthreadd，所有内核线程的祖先。PID 0 是内核的 swapper/idle 进程。

6.

systemctl set-default multi-user.target

7.

systemctl get-default
systemd-analyze

systemd-analyze 还能看到内核、initrd、用户空间各阶段耗时。

8.

echo $SHELL
ps -p $$

$SHELL 是登录 shell 的路径，$$ 是当前 shell 的 PID。

9.

type -a ls

它会按别名、函数、内建、PATH 的顺序全部列出来。

10.

hash -r

哈希缓存记录了命令的绝对路径；换了新版本、改了 PATH 或删了旧命令后，缓存会导致仍执行旧路径，需要清掉。

11.

!! 执行上一条命令；!$ 取上一条命令的最后一个参数，例如上一条是 ls /etc，cat !$ 就等于 cat /etc。

12.

export PATH="$PATH:$HOME/bin"

只影响当前 shell 和它的子进程，关掉窗口就失效。

13.

cat > ~/hello.sh <<'EOF'
#!/bin/bash
echo "hello"
EOF
chmod +x ~/hello.sh
~/hello.sh

14.

hostname
cat /etc/redhat-release
uname -r

15.

时间不一致会让日志对不上、证书校验失败、数据库主从复制异常、定时任务错乱。用 chronyd（NTP 客户端）向时间服务器同步，timedatectl set-ntp yes 开启。