GNU/Linux

本文记录 GNU/Linux 的学习笔记。其实是学习 GNU 中的各种命令，Linux 内核的东西应该不会碰到。以 Ubuntu 发行版为主。

一些可参考的内容：

菜鸟教程：Linux 命令大全
开源社区：Linux Command

基本概念¶

现在大家都称 GNU/Linux 操作系统为 Linux，但其实这是不合理的。因为 Linux 只是这个操作系统的内核（负责硬件管理和资源调度），还需要配合 GNU 的一整套用户程序（包括命令行终端 bash、C 标准库 glibc、C 编译器 GCC 等）才能称得上一个完整的操作系统。

显然，内核不是我们需要考虑的东西，因为我们一般动不了内核，因此我们主要学习的是 GNU/Linux 中的 GNU 部分，即用户程序。至于操作系统的工作原理，不在本文的讨论范围内，感兴趣的读者可以移步基础知识部分的操作系统原理进一步阅读。

Shell 与 Terminal¶

Terminal 是一个 GUI 界面，让用户直接和操作系统进行交互，而 Shell 是一个解释器，负责执行用户输入的各种命令。

常见的 Shell 解释器是 bash，当然也有 fish、zsh 等。

下面的程序演示了如何利用 bash 查询 \([0,100]\) 范围内的所有质数：

#!/bin/bash

# 判断一个数是否是质数的函数
is_prime() {
  local num=$1
  if ((num <= 1)); then
    return 1
  fi
  for ((i = 2; i <= num / 2; i++)); do
    if ((num % i == 0)); then
      return 1  # 不是质数
    fi
  done
  return 0  # 是质数
}

# 打印 0 到 100 之间的所有质数
for ((n = 0; n <= 100; n++)); do
  if is_prime $n; then
    echo $n
  fi
done

文件系统¶

在 GNU/Linux 操作系统中，文件不再像 Windows 那样分盘管理，只有一个根路径。下图展示了 GNU/Linux 中一些特定文件夹的名称及其功能：

访问权限¶

在 Windows 中，我们对用户和权限的概念接触的并不多，因为很多东西都默认设置好了。但是在 GNU/Linux 中，很多文件的权限都需要自己配置和定义，因此权限管理的操作方法十分重要。

使用 ls -l 命令列出当前目录下所有文件的详细信息：

可以看到一共有六列信息，从左到右依次为：

用户访问权限；
与文件链接的个数；
文件属主；
文件属组；
文件大小；
最后修改日期；
文件/目录名。

我们重点关注第一列信息的 \(10\) 个字符。

第 \(1\) 个字符。表示当前文件的类型，共有如下几种：

文件类型	符号
普通文件	`-`
目录	`d`
字符设备文件	`c`
块设备文件	`b`
符号链接	`l`
本地域套接口	`s`
有名管道	`p`

第 \(2\sim10\) 共 \(9\) 个字符。\(9\) 个字符每 \(3\) 个为一组，分别表示：属主 (user) 权限、属组 (group) 权限和其他用户 (other) 权限。

user、group 和 other 的定义如下：

文件用户（user/u）：文件的拥有者。
所属组（group/g）：与该文件关联的用户组，组内成员享有特定的权限。
其他用户（others/o）：系统中不属于拥有者或组的其他用户。

对于当前用户 now_user 以及当前用户所在的组 now_group，同组用户 adj_user 和其他用户 other_user 可以形象的理解为以下的集合关系：

graph TB
    subgraph ag[another_group]
    other_user1
    other_user2
    end
    subgraph ng[now_group]
    now_user
    adj_user
    end

每个文件或文件夹对于不同身份的用户会有不同的权限，9 个字符就对应 3 种身份的用户访问权限。每个用户一共有 3 种权限：

符号	对于文件	对于目录
`r`	可查看文件	能列出目录下内容
`w`	可修改文件	能在目录中创建、删除和重命名文件
`x`	可执行文件	能进入目录

因此上图 root_file.txt 文件的 rw-r--r-- 就表示「root 用户」对其有查看和修改的权限，「同组的其他用户」和「其他组的用户」对其只有查看权限。

那么我们平时看到的关于权限还有数字的配置，是怎么回事呢？其实是对上述字符配置的二进制数字化。读 \(r\) 对应 \(2^2=4\)，写 \(w\) 对应 \(2^1=2\)，可执行 \(x\) 对应 \(2^0=1\)，例如如果一个文件对于所有用户都拥有可读、可写、可执行权限，那么就是 rwxrwxrwx，对应到数字就是 \(777\)。

常用工具¶

软件管理器 apt¶

apt (advanced package tool) 是 Ubuntu/Debian 自带的软件管理工具，可以通过命令管理机器上的所有软件。下面简单罗列一下 apt 的常用命令及其功能：

更新软件的版本索引：

1	`apt update`

更新软件（需先更新软件的版本索引）：

1	`apt upgrade <package_name>`

安装软件：

1	`apt install <package_name>:<version>`

卸载软件：

1	`apt remove <package_name>`

终端汉化 language-pack-zh-hans¶

language-pack-zh-hans 是一个终端汉化软件包。Shell 的运行结果通过 Terminal 呈现，如果遇到都是英文的输出结果，可以进行以下操作将其转换为中文。

1）安装中文语言包：

1	`apt install language-pack-zh-hans`

2）添加中文语言支持：

1	`locale-gen zh_CN.UTF-8`

3）编辑 /etc/default/locale 文件：

LANG="zh_CN.UTF-8"
LANGUAGE="zh_CN:zh:en_US:en"
LC_NUMERIC="zh_CN.UTF-8"
LC_TIME="zh_CN.UTF-8"
LC_MONETARY="zh_CN.UTF-8"
LC_PAPER="zh_CN.UTF-8"
LC_IDENTIFICATION="zh_CN.UTF-8"
LC_NAME="zh_CN.UTF-8"
LC_ADDRESS="zh_CN.UTF-8"
LC_TELEPHONE="zh_CN.UTF-8"
LC_MEASUREMENT="zh_CN.UTF-8"
LC_ALL=zh_CN.UTF-8

4）重启机器：

reboot

目录可视化 tree¶

tree 是一个目录可视化工具，适合展示或查看指定目录下的文件结构。

Linux 默认自带，如果没有，可以快速安装：

# 安装 tree
apt update && apt upgrade && apt install tree

# 检查安装
tree --version

Windows 需要手动下载 tree 的二进制程序，下载地址：Tree for Windows。下载后将二进制程序的路径加入环境变量即可。

基本命令格式：tree [-option] [dir]

显示中文：-N。如果中文名是中文，不加 -N 有些电脑上是乱码的；
选择展示的层级：-L [n]；
只显示文件夹：-d；
区分文件夹、普通文件、可执行文件：-FC。C 是加上颜色；
起别名：alias tree='tree -FCN'；
输出目录结构到文件： tree -L 2 -I '*.js|node_modules|*.md|*.json|*.css|*.ht' > tree.txt。

多路复用器 tmux¶

tmux 是一个终端多路复用工具，支持一个终端多路复用。不同的路以会话 (session) 的形式存在，特别适合后台运行长时间任务。

基本命令：

# 新建并进入会话
tmux new -s <session_name>

# 进入会话
tmux attach -t <session_name>

# 列出所有会话
tmux ls

# 删除会话
tmux kill-session -t <session_name>

控制命令：

# 退出会话
Ctrl+b d

# 查看会话历史
Ctrl+b 滚轮

文件管理¶

改变目录 cd¶

cd ../

../ 表示上一级，./ 表示当前一级（也可以不写），/ 表示从根目录开始。

打印目录内容 ls¶

ls

-l 参数即 long listing format，表示打印详细信息，-h 参数即 human-readable，会使得结果更加可读，例如占用存储空间加上单位等等。

打印当前路径 pwd¶

pwd

打印当前用户名¶

whoami

创建文件夹 mkdir¶

# 创建一层
mkdir <FolderName>

# 递归创建
mkdir -p <fold_name>

创建文件 touch¶

1	`touch <FileName>`

创建链接 ln¶

# 创建硬链接
ln <target> <link_name>

# 创建软链接
ln -s <target> <link_name>

# 查看所有链接
ls -l <link_name>

# 删除链接（删除的是链接本身，不影响目标文件）
rm <link_name>

Tip

为了避免递归结构，目录链接时一般用软链接。

复制 cp¶

cp [option] <source> <target>

-r 表示递归复制，-i 用来当出现重名文件时进行提示。source 表示被拷贝的资源，target 表示拷贝后的资源名称或者路径。

移动 mv¶

mv [option] <source> <target>

-i 用来当出现重名文件时进行提示。source 表示被移动的资源，target 表示移动后的资源名称或者路径（可以以此进行重命名）。

删除 rm¶

rm [option] <source>

-i 需要一个一个确认，-f 表示强制删除，-r 表示递归删除。

打印 echo¶

echo "hello"

将 echo 后面紧跟着的内容打印到命令行解释器中。可以用来查看环境变量的具体值。也可以配合输出重定向符号 > 将信息打印到文件中实现创建新文件的作用。例如 echo "hello" > file.txt 用于创建 file.txt 文件并且在其中写下 hello 信息。

查看 cat¶

cat [option] <source>

-n 或 --number 表示将 source 中的内容打印出来的同时带上行号。也可以配合输出重定位符号 > 将信息输出到文件中。例如 cat -n a.txt > b.txt 表示将 a.txt 文件中的内容带上行号输出到 b.txt 文件中。

分页查看 more¶

1	`more <source>`

与 cat 类似，只不过可以分页展示。按空格键下一页，b 键上一页，q 键退出。可以配合管道符 | (将左边的输出作为右边的输入) 与别的命令组合从而实现分页展示，例如 tree | more 表示分页打印文件目录。

输出重定向 >¶

标准输出（stdout）默认是显示器。> 表示创建或覆盖，>> 表示追加。

查找 find¶

1	`find <path> <expression>`

-maxdepth <num>, -mindepth <num>: 最大、最小搜索深度。

匹配 grep¶

grep [option] <pattern> <source>

使用正则表达式在指定文件中进行模式匹配。-n 显示行号，-i 忽略大小写，-r 递归搜索，-c 打印匹配数量。

权限管理¶

提升权限 sudo¶

1	`sudo ...`

sudo 的全称是 superuser do，即「超级用户执行」。命令之前加上 sudo 的意思是普通用户以管理员身份执行指令，从而以管理员权限执行比如：安装软件、系统设置和文件系统等安全操作。可以避免不必要的安全风险。如果是 root 用户则无需添加。

查看当前用户 whoami¶

whoami

创建用户 useradd¶

1	`useradd <username>`

删除用户 userdel¶

1	`userdel <username>`

-r 表示同时删除数据信息。

修改用户信息 usermod¶

usermod

使用 -h 参数查看所有用法。

修改用户密码 passwd¶

1	`passwd <username>`

切换用户 su¶

1	`su <username>`

添加 - 参数则直接进入 /home/<username>/ 目录（如果有的话）。

查看当前用户所属组 groups¶

groups

创建用户组 groupadd¶

1	`groupadd`

删除用户组 groupdel¶

1	`groupdel`

改变属主 chown¶

1	`chown <user>:<group> <filename>`

改变属组 chgrp¶

chgrp <group> <filename>
# 等价于 chown :<group> <filename>

改变权限 chmod¶

1	`chmod <option> <filename>`

将文件 filename 更改所有用户对应的权限。举个例子就知道了：让 demo.py 文件只能让所有者拥有可读、可写和可执行权限，其余任何用户都只有可读和可写权限。

# 写法一
chmod u=rwx,go=rw demo.py

# 写法二
chmod 766 demo.py

至于为什么数字表示法会用 \(4,2,1\)，是因为 \(4,2,1\) 刚好对应了二进制的 \(001, 010, 100\)，三者的组合可以完美的表示出 \([0,7]\) 范围内的任何一个数。

默认权限 umask¶

umask

-S 显示字符型默认权限。

直接使用 umask 会显示 \(4\) 位八进制数，第一位是当前用户的 \(uid\)，后三位分别表示当前用户创建文件时的默认权限的补，例如 \(0022\) 表示当前用户 \(uid\) 为 \(0\)，创建的文件/目录默认权限为 \(777-022=755\)。

可能是出于安全考虑，文件默认不允许拥有可执行权限，因此如果 umask 显示为 \(0022\)，则创建的文件默认权限为 \(644\)，即每一位都 \(-1\) 以确保是偶数。

练习：权限管理

一、添加 4 个用户：alice、bob、john、mike

首先需要确保当前是 root 用户，使用 su root 切换到 root 用户。然后在创建用户时同时创建该用户对应的目录：

useradd -d /home/alice -m alice
useradd -d /home/bob -m bob
useradd -d /home/john -m john
useradd -d /home/mike -m mike

二、为 alice 设置密码

1	`passwd alice`

三、创建用户组 workgroup 并将 alice、bob、john 加入

创建用户组：
1
groupadd workgroup
添加到新组：
1 2 3
usermod -a -G workgroup alice usermod -a -G workgroup bob usermod -a -G workgroup john
- -a：是 --append 的缩写，表示将用户添加到一个组，而不会移除她已有的其他组。这个选项必须与 -G 一起使用
- -G：指定要添加用户的附加组（即用户可以属于多个组），这里是 workgroup
将 workgroup 作为各自的主组：
1 2 3
usermod -g workgroup alice usermod -g workgroup bob usermod -g workgroup john
- -g：用于指定用户的主组（primary group）。主组是当用户创建文件或目录时默认分配的组

四、创建 /home/work 目录并将其属主改为 alice，属组改为 workgroup

# 创建目录
mkdir work

# 修改属主和属组
chown alice:workgroup work

# 或者
chown alice.workgroup work

五、修改 work 目录的权限

使得属组内的用户对该目录具有所有权限，属组外的用户对该目录没有任何权限。

# 写法一
chmod ug+rwx,o-rwx work

# 写法二
chmod 770 work

六、权限功能测试

以 bob 用户身份在 work 目录下创建 bob.txt 文件。可以看到符合默认创建文件的权限格式 \(644\)：

同组用户与不同组用户关于「目录/文件」的 rw 权限测试。

关于 \(770\) 目录。由于 work 目录被 bob 创建时权限设置为了 \(770\)，bob 用户与 john 用户属于同一个组 workgroup，因此 john 因为 \(g=7\) 可以进入 work 目录进行操作，而 bob 用户与 mike 用户不属于同一个组，因此 mike 因为 \(o=0\) 无法进入 work 目录，更不用说查看或者修改 work 目录中的文件了。
关于 \(644\) 文件。现在 john 由于 \(770\) 中的第二个 \(7\) 进入了 work 目录。由文件默认的 \(644\) 权限可以知道：john 因为第一个 \(4\) 可以读文件，但是不可以写文件，因此如下图所示，可以执行 cat 查看文件内容，但是不可以执行 echo 编辑文件内容。至于 mike，可以看到无论起始是否在 work 目录，都没有权限 cd 到 work 目录或者 ls 查看 work 目录中的内容。

进程管理¶

查看进程 ps、top、htop、btop¶

# 静态
ps

# 动态
top

# 高级工具
htop

# 更高级的工具
btop

终止进程 kill¶

如果想要中断一个并行/并发任务，在终端输入 Ctrl+C 往往是无效的，因为 Ctrl+C 一次只能结束一个进程/线程。我们可以直接用 taskkill 或 pkill 终止对应程序的所有进程。

WindowsLinux/macOS

# 终止所有 Python 进程
taskkill /F /IM python.exe

# 终止特定 PID 的进程
taskkill /F /T /PID <process_id>

# 终止所有 Python 进程
pkill -9 -f python

# 或者使用 killall
killall -9 python

# 终止特定 PID 的进程
kill -9 <process_id>

练习：进程管理

一、编写一个 shell 程序 badproc.sh 使其不断循环

#! /bin/bash
while echo "I'm making files!"
do
    mkdir adir
    cd adir
    touch afile
    sleep 10s
done

二、为 badproc.sh 增加可执行权限

1	`chmod u+x badproc.sh`

三、在后台执行 badproc.sh

1	`./badproc.sh &`

& 表示后台执行

四、利用 ps 命令查看其进程号

ps aux | grep badproc

五、利用 kill 命令杀死该进程

kill -9 <PID>

六、删除 badproc.sh 程序运行时创建的目录和文件

调试进程 gdb¶

参考 GDB 官网。常用的如下：

开始运行：

1	`r # 即 run`

设置断点：

1	`break <line_num>`

运行到下一个断点：

1	`c # 即 continue`

练习：gdb 实战

一、创建 fork.c 文件

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main() {
    /* fork another process */
    pid_t  pid;
    pid = fork();

    if (pid < 0) {
        /* error occurred */
        fprintf(stderr, "Fork Failed");
        exit(-1);
    } else if (pid == 0) {
        /* child process */
        printf("This is child process, pid=%d\n", getpid());
        execlp("/bin/ls", "ls", NULL);
        printf("Child process finished\n"); /*这句话不会被打印，除非execlp调用未成功*/
    } else {
        /* parent process */
        /* parent will wait for the child to complete */
        printf("This is parent process, pid=%d\n", getpid());
        wait (NULL);
        printf ("Child Complete\n");
        exit(0);
    }
}

这段程序首先通过调用 fork() 函数创建一个子进程，并通过 pid 信息来判断当前进程是父进程还是子进程。在并发的逻辑下，执行哪一个进程的逻辑是未知的。

二、编译运行 fork.c 文件

从上述运行结果可以看出：并发时，首先执行父进程的逻辑，然后才执行子进程的逻辑。

三、gdb 调试

在 fork 创建子进程后追踪子进程：

gdb fork
set follow-fork-mode child
catch exec

运行到第一个断点时分别观察父进程 1510168 和子进程 1510171：

运行到第二个断点时观察子进程 1510171：

从上述子进程的追踪结果可以看出，在父进程结束之后，子进程成功执行了 pid == 0 的逻辑并开始调用 ls 工具。

硬盘管理¶

硬盘挂载 mount¶

查看硬盘接口：

1	`fdisk -l`

格式化硬盘（设置硬盘的文件系统）：

mkfs -t ext4 /dev/vdc

挂载硬盘：

cd / && mkdir zzz
mount /dev/vdc /zzz

卸载硬盘：

1	`umount /zzz`

挂载前，数据存储在原来的设备中，挂载后，原来的数据会被遮蔽，新数据持久化保存在新挂载的设备中，取消挂载后，原来的数据会重新显现。可以使用 df -h <filepath> 来查看数据所在的设备。

有关自动挂载参见知乎。

查看磁盘可用空间 df¶

查看所有可用空间：

df

添加单位便于阅读：

df -h

查看指定文件或文件夹所在空间：

1	`df <file/folder>`

查看文件占用的磁盘空间 du¶

递归查看所有文件的占用空间：

1	`du <file/folder>`

查看占用空间之和：

du -s

添加单位便于阅读：

du -sh

文件从大到小排序：

du -sh * | sort -rh