# Lec 3. Linux 系统知识基础 <hr> 2025 年秋冬学期计算机学院朋辈辅学「技能拾遗」 <div class="avatar-container"> <a href="https://github.com/inuEbisu"><img class="avatar-img" src="avatar_512.png" alt="avatar"></a> <span class="avatar-name">@inuEbisu / 犬戎</span> </div> 2025 年 11 月 7 日 --- ## Part 1. 进程 -v- ### 进程 进程是正在执行的程序的一个实例 当我们启动一个程序时 - 操作系统从硬盘中读取程序文件 - 将程序内容加载入内存中 - CPU 执行该程序 - 就看到了一个「进程」 查看： - Windows：任务管理器 - Linux：`htop` 与 `ps`，相关命令还有 `pgrep`, `pkill` 等 -v- ### PID Process Identifier，进程的唯一标识 操作系统启动后，从 1 开始分配 PID。 - 1: init，通常是 `systemd` - 2: 内核守护进程 `kthreadd` PID 通常是递增的 - `/proc/sys/kernel/pid_max` -v- ### 信号 信号是 Unix 系列系统中进程之间相互通信的一种机制 - 发送信号：`kill` - 默认发送 `SIGTERM` - 早期信号的作用就是杀死进程 - `man 7 signal` -v- ### 信号 （2018 年《Linux 101 ——进程、服务、任务》的演示文稿截图） <img src="lec3/signal_slide.png"/> -v- ### 前后台切换 Shell 中有前后台的概念 - 在 shell 中直接运行命令，将挂到前台 - 在后台运行程序，可在命令最后加上 `&` - 将前台程序切换到后台，可按下 Ctrl + Z 发送 `SIGTSTP` 使进程挂起 相关命令：`jobs` / `fg` / `bg` -v- ### 脱离终端 终端一旦被关闭会向其中每个进程发送 `SIGHUP` - SSH 时，你的 SSH 中运行的程序会停止 - 如果你要在你的服务器上挂一个 [ZJU-Live-better](https://github.com/5dbwat4/ZJU-Live-better)…… 一些解决方案： - 使用 `nohup` 命令执行脚本 - 使用 `systemd` 将脚本作为服务运行 - 使用终端复用器 -v- ### 终端复用器 tmux <div class="mul-cols"> <div class="col" width="50%"> <img src="lec3/tmux.gif" height="400"/> </div> <div> 命令行多终端方案 - 终端分屏 - 会话保持 - 会话独立于终端存在 - SSH 时不因断线而停止程序 </div> </div> -v- ### 终端复用器 tmux tmux 由会话（session），窗口（window），面板（pane）组织起每个 shell 的输入框。 - 会话用于区分不同的工作 - 窗口是会话中以显示屏为单位的不同的页 - 面板是一个窗口上被白线分割的不同区域 该窗口不因断开连接或者暂时登出而消失，而是会保存在后台，下一次登录时可以立即还原。 -v- ### 终端复用器 tmux 前缀：`Ctrl + B` | 默认快捷键 | 功能 | | :--------- | :--------------------------------- | | `%` | 左右分屏 | | `"` | 上下分屏 | | `↑ ↓ ← →` | 焦点切换为上、下、左、右侧 pane | | `d` | 从 tmux 中脱离，回到命令行界面 | | `z` | 将 pane 暂时全屏，再按一次恢复原状 | | `c` | 新建窗口 | | `,` | 为窗口命名 | | `s` | 列出所有 session | -v- ### 实践 `src/lec3/signal/loop.py` - 查询到它的 PID，并尝试 `kill` 它 - 它按 `Ctrl + C` 不会退出，这是怎么做到的？ - 尝试让它被 `kill` 也不会退出 - 尝试让它被 `kill -9` 也不会退出 - 尝试让它在终端退出时不会退出 - 可有多种方法 --- ## Part 2. I/O -v- ### 文件描述符 文件描述符是一个非负整数，代表已打开的 I/O 资源（文件、管道、socket、设备等）。 - 查看文件描述符表：`ls -la /proc/<PID>/fd/` 进程启动时自动打开三个标准文件描述符，即标准 I/O - 0：标准输入 `STDIN_FILENO` - 1：标准输出 `STDOUT_FILENO` - 2：标准错误 `STDERR_FILENO` -v- ### 重定向 改变标准输入输出的目的地 Shell 中的相关语法 | 语法 | 作用 | | :----------------- | :----------------------- | | `cmd > file.txt` | 标准输出重定向到文件 | | `cmd 2> error.log` | 标准错误重定向到文件 | | `cmd >> file.txt` | 追加到文件 | | `cmd < input.txt` | 从文件读取标准输入 | | `cmd 2>&1` | 将标准错误合并到标准输出 | C 中的 `freopen` 函数也有相同的功效 -v- ### 管道 管道是一个在内核内存中管理的、环形的、字节流式的缓冲区，用于进程间通信 通过 `pipe` 系统调用创建 在 Shell 中的语法是 `|` - e.g. `ls | grep hello` - 日常使用时，其实就是将前一个命令的输出作为后一个命令的输入 -v- ### 缓冲区 用户输入的字符被收集并储存在缓冲区（buffer）中 行缓冲，完全缓冲，不缓冲 - 行缓冲：出现换行符时刷新缓冲区，通常用于键盘输入 - 完全缓冲：仅缓冲区填满时刷新缓冲区（将内容发送至目的地） Unix 约定 stdin 与 stdout 若与终端关联则为行缓冲，而 stderr 为无缓冲。 你可以手动刷新缓冲 -v- ### 实践 `src/lec3/io/stdio_eg.c` - 使用 `strace` 查看进程的 `read` `write` 系统调用操作 - 使用 `ls -la /proc/$(pgrep stdio_eg)/fd` 观察文件描述符 - `./stdio_eg` - `./stdio_eg < in.txt` - `./stdio_eg > out.txt` - `./stdio_eg 2> out.txt` - `./stdio_eg 2>&1` - `./stdio_eg | grep whatever` - 添加上 `freopen` - `printf "whatever" > /dev/pts/<?>` - …… -v- ### 实践 [ZJUCTF2024: Silence](https://note.xecades.xyz/ctf/game/zjuctf2024#6) - Xecades 学长出题 - 实现了一个 `shell` - 但标准输入、输出、错误流均被重定向到 `/dev/null` - 一个非预期是将命令的输出重定向到 6 号文件描述符（`>&6`）即可将命令输出回显回终端 - 具体原因比较复杂 `src/lec1/fork/fork.py` - 在第一节课上提供的一个关于缓冲区的很神秘的例子，现在可以回头再看一看 --- ## Part 3. 用户与权限 -v- ### 用户 现代操作系统都有「用户」的概念 服务器环境中： - 为不同的使用者创建用户，分配不同的权限，保障系统的正常运行 - 为网络服务创建用户，通过权限限制，减小服务被攻击时对系统安全的破坏 对于个人用户： - 区分使用者的用户与「系统用户」，并且划分权限 - 尽可能避免或降低用户误操作带来的损失，保障系统完整 可以查看 `/etc/passwd` 文件得到系统中用户的配置信息 -v- ### 根用户 根用户（`root`）在 Linux 操作系统中拥有最高的权限，可以对系统做任何操作（包括删除所有系统文件这一类极端危险的操作） 在命令前加上 `sudo` 可以使我们以根用户的身份执行命令 > With great power comes great responsibility. 谨慎使用 root 用户权限执行命令！只在真的需要的时候使用。 以下是一些会对系统带来**毁灭性破坏**的例子。<span style="font-weight: bold; color: red">不要执行下面的命令！</span> - `rm -rf /` - 删除系统中的所有可以删除的文件，包括被挂载的其他分区 - **即使不以 root 权限执行，也可以删掉自己的所有文件** -v- ### 根用户 以下是一些会对系统带来**毁灭性破坏**的例子。<span style="font-weight: bold; color: red">不要执行下面的命令！</span> - `mkfs.ext4 /dev/sda` - 将系统的第一块硬盘直接格式化为 ext4 文件系统，破坏其上所有的文件 - `dd if=/dev/urandom of=/dev/sda` - 对系统的第一块硬盘写入伪随机数，破坏其上所有的文件，并且降低找回文件的可能性 - `:(){ :|: & };:` - 称为「Fork 炸弹」，会消耗系统所有的资源 - 在未对进程资源作限制的情况下，只能通过重启系统解决，所有未保存的数据会丢失 -v- ### 文件权限 在 Linux 中，每个文件和目录都有自己的权限 使用 `ls -l` 查看文件详细信息 - 文件类型（一位） - 文件所属用户的权限（三位） - 文件所属用户组的权限（三位） - 其他人的权限（三位） - 第一位 `r` 代表读取 (Read)，第二位 `w` 代表写入 (Write)，第三位 `x` 代表执行 (Execute)，`-` 代表没有对应的权限 可使用 `chmod` `chown` 等命令修改权限 -v- ### Linux 下的文件架构 类 Unix 系统中，整个系统的文件都从根目录 `/` 开始，形成目录树结构 - 没有「C 盘」「D 盘」等分区盘符 - 其他的分区以挂载 (mount) 的形式「挂」在树上 [文件系统层次结构标准 (FHS, Filesystem Hierarchy Standard)](https://refspecs.linuxfoundation.org/FHS_3.0/fhs/index.html) 定义了 Linux 发行版的标准目录结构 [文件系统层次结构 - Linux 101](https://101.lug.ustc.edu.cn/Ch05/#fhs) --- ## Part 4. Debug -v- ### 为什么需要 debug > A golden rule in programming is that code does not do what you expect it to do, but what you tell it to do. Bridging that gap can sometimes be a quite difficult feat. 程设课使用纸质试卷进行考试 - 这要求大家在不运行的情况下一次写对代码，并使用肉眼瞪出看似合理的代码的问题 - 这对于稍大一些的程序不再可能 > 2014 年图灵奖得主 [Michael Stonebraker](https://en.wikipedia.org/wiki/Michael_Stonebraker) 在一次访谈中提到，他当时花了 5 年时间开发了世界上第一个关系数据库系统 Ingres，其中 90% 的时间用于将它运行起来。也就是说，在开发过程中，有 90% 的时间系统都是运行不起来的，是有 bug 的，需要调试。 -v- ### `printf` 大法 `printf` 大法输出中间变量 - `printf` 函数会打印到标准输出 - 如果忘记删除会影响 OJ 判题 - 可以使用 `fprintf(stderr, "whatever");` -v- ### GNU Debugger 在编译时要加上 `-g` 选项，生成的可执行文件才能用 `gdb` 进行源码级调试 - `gcc hello.c -o hello -Wall O3 -g` - 还需要保证 `gdb` 能找到源文件 -v- ### GNU Debugger | 命令 | 描述 | | :--------------- | :----------------------------------------- | | `r(un)` | 运行程序，在断点处停止运行 | | `start` | 运行程序，在 main 时停止运行 | | `c(ontinue)` | 继续执行，到下一个断点处 | | `n(ext)` | 单步调试，不进入函数体 | | `s(tep)` | 单步调试，如果遇到函数则进入函数体 | | `b(reakpoint) n` | 在第 n 行设置断点 | | `display expr` | 每次单步进行指令后，输出被设置的表达式及值 | | `watch expr` | 设置监视点，表达式值改变时终止程序 | | `q` | 退出 gdb | 工具熟能生巧，更多命令等待你探索 -v- ### GNU Debugger `src/lec3/debug/add_range.c` --- ## Part 5. 参考资料 -v- ### 参考资料 进程 - [进程、前后台、服务与例行性任务 - Linux 101](https://101.lug.ustc.edu.cn/Ch04/) - 大量内容参考至此 - [Command-line Environment - MIT The Missing Semester](https://missing.csail.mit.edu/2020/command-line/) - `loop.py` 的例子来自这里 I/O 与文件 - [讲义：I/O 与文件 -（23 秋冬）程设辅学课程 系统知识拾遗](https://ckc-agc.bowling233.top/programming/archive/23fall/lec3/lec3/) -v- ### 参考资料 Debug - [Debugging and Profiling - MIT The Missing Semester](https://missing.csail.mit.edu/2020/debugging-profiling/) - [讲义：程序编译过程与调试技术 -（23 秋冬）程设辅学课程 系统知识拾遗](https://ckc-agc.bowling233.top/programming/archive/23fall/lec1/lec1/) - [第 10 章 gdb - Linux C 一站式学习](https://www.kancloud.cn/wizardforcel/linux-c-book/134935) --- # 谢谢大家 <hr> Questions? <div class="avatar-container"> <a href="https://github.com/inuEbisu"><img class="avatar-img" src="avatar_512.png" alt="avatar"></a> <span class="avatar-name">@inuEbisu / 犬戎</span> </div> 2025 年 11 月 7 日