Chapter 2：Introduction to Unix

Early History of Unix | 早期历史

Unix 发展历史详解

GNU——GNU Not Unix (实际上是一个递归形式)

The Inventors

Ken Thompson、Dennis Ritchie

ACM Turing Award winners, 1983

C Language as Byproduct

C语言的诞生：一个副产品

• 问题
  • 需要将 Unix 移植到其他平台
  • Unix 是用汇编语言编写的
• 解决方案
  • 使用 'B' 语言重写 Unix
  • 为适配 Unix 进行了大量修改
• 更名为 'C'
  • 同时具备高级和低级编程语言的特性
  • 增强了可移植性
  • 更容易改进和增强 Unix

两位 “反叛者”颠覆了软件世界：

• 理查德·斯托曼 (Richard Stallman) 是思想家，他发起了“自由软件”运动和GNU项目，为开源世界奠定了哲学和法律基石。
• 林纳斯·托瓦兹 (Linus Torvalds) 是实干家，他创造了Linux内核。这个改变世界的项目，起初只是他发布在网络论坛上的一个“业余爱好”。

这张“家族树”图片简洁地介绍了主流操作系统的演变史，核心要点如下：

1. 共同的祖先：
2. 图中的绝大多数操作系统，都源自于同一个祖先——诞生于1969年的 Unix 系统。
3. 两大主要分支：
4. 从早期的Unix开始，逐渐分化为两大阵营：
   • 商业闭源分支 (红色部分)：以 AT&T 的 System V 为代表，衍生出了许多商业公司的闭源Unix系统，比如 IBM 的 AIX、惠普的 HP-UX 和 Sun/Oracle 的 Solaris。
   • 学术/开源分支 (绿色部分)：以伯克利大学的 BSD 为代表，它衍生出了 FreeBSD、OpenBSD 等一系列重要的开源系统，并且苹果的 macOS 也深受其影响（图中标为橙色混合源码）。
5. 独立的力量 (Linux)：
6. 左侧的 Linux (绿色部分) 是一个非常特殊的存在。它不是Unix的直接代码后代，而是一个从零开始编写的“类Unix”系统。自诞生起就完全开源，并发展成如今最庞大、最成功的开源操作系统家族。

这张图清晰地展示了操作系统从单一的闭源祖先 (Unix)，如何一步步演化和分裂，并最终形成了由 Linux 和 BSD 家族主导的、繁荣的开源生态。

linux 是 unix 么？ 法律上不是 但是属于 unix-like

这张图展示了当今主流的、属于“Unix家族”的操作系统。

它们主要分为两大类：

1. 商业系统：
   • 传统的商业版Unix，如 Oracle 的 Solaris、HP的 HP-UX 和 IBM 的 AIX。
   • 苹果的 macOS（其底层基于BSD）。
2. 免费开源系统：
   • BSD 家族：如 NetBSD, FreeBSD, OpenBSD。
   • Linux 家族：基于 Linus Torvalds 的 Linux 内核，发展出了众多“发行版”，如 Red Hat、Ubuntu、Debian 等。

右下角的两个吉祥物分别是 GNU 的牛羚和 Linux 的企鹅，它们共同代表了完整的 GNU/Linux 操作系统。

Free Software License Types

• Public Domain： authors waive all copyright

任意做都行

• MIT/BSD Licenses： OK to copy, redistribute and modify（修改、商业化） as long as,
  • you respect the identity and rights of the author
  • you agree not sue（起诉） the author over software quality
• GNU General Public License (GPL)： requires in addition that any derived work distributed or published
  • must be licensed under the terms of the GPL
  • must have its source code made publicly available

1. 公共领域 (Public Domain)
   • 最宽松：作者完全放弃版权，任何人可以不受任何限制地使用。
2. MIT / BSD 许可证
   • 比较宽松：你可以自由地复制、修改和重新分发代码，甚至用于商业闭源软件。
   • 条件：只需在你的产品中保留原作者的版权声明即可。
3. GNU 通用公共许可证 (GPL)
   • 最严格（具有“传染性”）：除了拥有修改和分发的自由外，它还有一个关键要求：
   • 条件：任何修改或使用了GPL代码并公开发布的新软件，其本身也必须采用GPL许可证并公开源代码。这个特性保证了软件的自由和开源属性会一直传递下去。

Unix 的设计哲学：

其精髓是追求 灵活性、自由和简洁，主要体现在以下几个关键原则上：

1. 工具箱方法 (Toolbox Approach)： 核心理念是“每个程序只专注于做好一件事”。系统由大量小而专的工具组成，用户可以将这些工具灵活地组合起来，完成复杂的任务。
2. 一切皆文件 (Everything is a file)： 这是一个强大的抽象概念。无论是硬件设备（如打印机、硬盘）、网络连接还是普通数据，在Unix中都被视为文件，可以用统一的方式进行读写操作，极大地简化了编程。
3. 小即是美 (Small is beautiful)： 崇尚简单、清晰的设计，认为“少即是多”。鼓励用小巧、易于理解和维护的程序来解决问题。

操作系统结构

从内到外的结构层次为：

1. 硬件 (Hardware)：位于最中心，是计算机的物理实体，如CPU、内存、硬盘等。
2. 内核 (Kernel)：操作系统的核心部分。它直接包裹并管理硬件，是唯一有权限直接与硬件交互的软件。
3. 系统调用 (System Calls)：这是内核提供给外层程序的“服务窗口”或接口。它是一套预先定义好的指令，程序通过它来请求内核的服务。
4. 程序 (Programs)：最外层是我们日常使用的应用程序。它们不能直接访问硬件。

工作原理总结：

当一个程序（比如Word）需要保存文件时，它不能直接操作硬件（硬盘）。它必须通过系统调用向内核发出“请帮我保存文件”的请求，内核接收到请求后，再安全地替程序完成硬件操作。

这种分层结构的核心目的在于保护和隔离，确保用户程序不会直接弄乱硬件，从而保障整个系统的稳定和安全。

文件树

Unix Programs

• Shell is the command line interpreter
• Shell is just another program
• A program or command interacts with the kernel may be any of:
  • built-in shell command
  • interpreted script
  • compiled object code file
• 当你在 Shell 中输入一个命令时，它通常是以下三种类型之一：
  • 内建命令 (built-in)：由 Shell 程序自身直接处理的命令，例如 cd。
  • 解释型脚本 (script)：一个由解释器（如 python 或 bash 自身）逐行读取并执行的文本文件。
  • 编译后的程序文件 (compiled file)：一个独立的可执行文件，系统中的大部分命令（如 ls, grep）都属于这一类。

Command Line Structure

1 . 命令的结构

一个标准的 Unix 命令由三部分构成，并用空格隔开：

command options arguments

• command (命令)：你要执行的程序名，例如 ls。
• options (选项)：调整命令的行为，通常以 - 开头，例如 -l。
• arguments (参数)：命令要操作的对象，例如文件名或目录名。 示例：ls -l /home

2 . 关键使用技巧

• 大小写敏感 (Case Sensitive)：在 Unix 中，File1 和 file1 是两个完全不同的文件。命令和文件名通常都使用小写。
• 查阅帮助手册 (man page)：并非所有命令都遵循相同的标准。要知道一个命令的具体用法和选项，应使用 man 命令来查看它的手册 (例如: man ls)。
• 终止命令 (Terminate Command)：如果一个命令正在运行且你想强制停止它，最常用的方法是按下 Ctrl+C。

注意attention

• 并非所有的 Unix 命令都遵循相同的标准。
• 一个命令的选项和语法都列在该命令的“man page”（手册页）中。
• 请注意 Unix 是区分大小写的。
• — 通常使用小写字母。
• 要终止一个命令：
• — ^C 中断 (^C 通常指 Ctrl+C)
• — ^D 可能也有效；可以注销用户；此功能经常被禁用 (^D 通常指 Ctrl+D)

具体指令

man相关指令

其他指令

文件系统 ｜ file system

文件系统的思想——Everything is a file

文件树

根目录与主要目录

常见子目录

• /usr/bin - 用户命令
• /usr/lib - 用户程序库
• /usr/local - 本地安装的软件
• /usr/src - 源代码（source）
• /var/log - 系统日志
• /var/tmp - 持久化临时文件

其他系统派生文件树

Identifying Files in the Tree ｜ 绝对路径与相对路径

File Structures on Disk

Disk里面是以文件块来进行管理的

基本组织方式

• 挂载：磁盘挂载到文件树的某个位置
• 块划分：磁盘被划分为固定大小的块
  • 常见块大小：512B、1024B、2048B

磁盘分区的三大组成部分

1. 数据块 (Data Blocks)

• 作用：存储文件的实际内容
• 特点：大文件会占用多个连续或分散的数据块
• 类比：储物柜中存放物品的格子

2. inode (索引节点)

• 作用：存储文件的元数据（描述信息）
• 包含信息：
  • 文件大小、时间戳（创建/修改时间）
  • 所有者、用户组
  • 权限（rwx）
  • 数据块指针列表（指向文件内容的位置）
• 特点：
  • 每个文件/目录有唯一的 inode 编号
  • 系统通过 inode 而非文件名识别文件
• 类比：贴在格子上的信息标签

3. 超级块 (Superblock)

• 作用：记录整个文件系统的全局信息
• 包含信息：
  • 数据块和 inode 的总数与剩余数
  • 文件系统大小、块大小
  • 文件系统状态（挂载时间、健康检查标志）
• 重要性：
  • 超级块损坏会导致整个分区无法访问
  • 系统会在多处保存备份副本
• 类比：整个仓库的总账本

文件访问流程

1. 查找文件名 → 从目录获取 inode 编号
2. 读取 inode → 获取元数据和数据块指针
3. 读取数据块 → 根据指针获取文件内容
4. 读取超级块 → 挂载时了解文件系统布局

💡 核心理解：文件名只是便于人类识别的标签，系统真正依赖 inode 来管理文件

File & Directory Naming Guidelines

Don' t use Meta Characters

Slash - 斜杠

Back slash - 反斜杠

Under -space/ -bar /-line

要把这些的中英文都会读

http://en.wikipedia.org/wiki/Punctuation

Unix is Case Sensitive(大小写敏感 large case small case)

Directory Commands

pwd

p w d分别代表什么意思

cd

mkdir

mkdir directory-list

rmdir

rmdir directory-list

tree

Tree 命令

ls – List Contents of Directory

文件域

field

alias ls = ls --color=auto

#### Permissions

ls -al 命令输出的开头10个字符，是文件类型和权限的描述。第一个字符代表文件类型：d 表示这是一个目录（文件夹），- 表示这是一个普通文件，而 l 则表示一个符号链接（快捷方式）。

接下来的9个字符代表访问权限，它们被分为三组。第一组（第2-4位）是文件所有者(user)的权限，第二组（第5-7位）是所属组(group)的权限，第三组（第8-10位）是其他人(others)的权限。在每一组中，r 代表“读”权限，w 代表“写”权限，x 代表“执行”权限，而 - 则表示没有该项权限。

文件属性存储在inode里面

<权限> <属性>

File Maintenance Commands ｜ 文件维护命令

1. chmod: change the file or directory access permissions (mode)
2. umask: get or set the file mode creation mask (built-in in bash like alias)
3. chgrp:change the group of the file
4. chown: change the owner of a file

哪个先哪个后？（智云）

chmod

method1 | 用法1

method2 ｜ 用法2

permission 还可以使用数值来代表

直接使用r + w + x的数值来代表权限

octal. 月份名字（？回看智云）

umask

在 Unix 和 Linux 系统中，umask 是一个非常重要的安全设置，它像一个“默认权限过滤器”，用来管理你新创建文件和目录的权限。它的核心作用不是“赋予”权限，而是“拿掉”权限。当你设置了一个 umask 值（比如 022），系统就会在你每次创建新文件时，自动从程序请求的“理想权限”（通常是 666 或 777）中，减去 umask 指定的权限，确保你的文件不会一开始就过度开放。

举个例子，如图所示，如果你的 umask 设置为 022，这个 0 对应所有者（user），第一个 2 对应所属组（group），第二个 2 对应其他人（others）。数字 2 代表“写权限（w）”。这意味着，当一个程序（如 open()）试图创建一个权限为 666（即 rw-rw-rw-）的文件时，系统会用 umask 022 来过滤：它会拿掉“所属组”的“写权限”和“其他人”的“写权限”。因此，新文件的最终权限就变成了 644（即 rw-r--r--），只有你自己能修改，其他人只能读取，大大提升了系统安全性。

Display Commands

File Manipulation Commands

-f forced 强制的

-i interactive 交互的

-R recursive 递归

ln and ulink

symbolic 符号链接 /快捷方式

find

find directory-list [options] [actions][...]

• 使用\来取消命令行对于*的特殊解释，转义通配符
• -newer:更新的文件
• type: 第一列是d的打出来

find 是一个在 Unix/Linux 系统中功能极其强大的命令，用于在指定目录中查找文件，并可以对找到的文件执行操作。

下面逐一解释这几个命令的含义：

1. find . -name Net\*.jpeg -print

• find .: 从当前目录 (.) 开始查找。
• -name Net\*.jpeg: 查找文件名 (name) 匹配 Net*.jpeg 模式的文件。
  • * 是一个通配符，代表任意数量的字符。
  • \ 是转义字符，防止 shell（命令行解释器）自己先去解析 *，确保 * 是传递给 find 命令的。更常见的写法是给模式加上引号，如 find . -name "Net*.jpeg"。
• -print: 将找到的文件或目录的完整路径名打印到屏幕上。
• 在当前目录及其所有子目录中，查找并列出所有以 "Net" 开头、以 ".jpeg" 结尾的文件。

2. find . -newer init.c -print

• find .: 从当前目录开始查找。
• -newer init.c: 查找修改时间比 init.c 文件更新 (newer) 的所有文件和目录。
• -print: 打印结果。
• 查找并列出当前目录下所有比 init.c 这个文件还要新的文件。

3. find /usr/local -type d -print

• find /usr/local: 从 /usr/local 目录开始查找。
• -type d: 查找类型 (type) 为 d 的条目，d 代表 目录 (directory)。
• -print: 打印结果。
• 查找并列出 /usr/local 目录下的所有子目录。

4. find . \( -user Bill -o -size +10000c \) -print -exec rm {} \;

这是一个更复杂的组合命令：

• find .: 从当前目录开始查找。
• \( ... \): 将括号内的条件作为一个整体。
• -user Bill: 查找所有者是用户 Bill 的文件。
• -o: 逻辑运算符 "或" (OR)。
• -size +10000c: 查找大小 (size) 大于 (+) 10000 字节 (bytes) (c) 的文件。
• -print: 打印符合条件的文件名。
• -exec rm {} \;: 对找到的每一个文件执行 (exec) rm (删除) 命令。
  • {} 是一个占位符，代表当前找到的文件名。
  • \; 表示 -exec 命令的结束。
• 在当前目录中，查找所有者是 "Bill" 或者大小超过 10000 字节的文件，先打印出它们的名字，然后将它们全部删除。

5. find ~bill ~denis -size +1000 -atime 30 -ok rm {} \;

• find ~bill ~denis: 在用户 bill 和用户 denis 的家目录 (~) 这两个位置开始查找。
• -size +1000: 查找大小大于 1000 个文件块 (blocks, 通常是512字节) 的文件。
• -atime 30: 查找最后访问时间 (access time) 恰好是 30天前的文件。（+30 是30天以前，-30 是30天以内）。
• -ok rm {} \;: 这是 -exec 的安全版本。它会对每个找到的文件，在执行 rm 命令之前，先询问你是否同意 (例如会提示 < rm ... '文件名' > ?），只有你输入 y 并回车后，才会执行删除操作。
• 在 "bill" 和 "denis" 的家目录中，查找大小超过1000个块并且最后访问时间正好是30天前的那些文件，然后逐个询问你是否要删除它们。

compression

在 Unix/Linux 系统中用于文件压缩和解压缩的几组常用命令，它们可以帮你减小文件大小，方便存储和传输。

• compress / uncompress：这是一组比较古老的工具，它会生成 .Z 后缀的压缩文件。现在已经不太常用了。
• gzip / gunzip：这是目前最常用、最标准的压缩工具。gzip filename 会将文件压缩成 filename.gz。要解压时，你可以使用 gunzip filename.gz，或者使用 gzip -d filename.gz，两者效果完全一样。
• bzip2 / bunzip2：这是另一组更现代的工具，它通常能提供比 gzip 更高的压缩率（即压缩后文件更小），但可能花费时间稍长。它生成 .bz2 文件，并使用 bunzip2 来解压。

Utility - wc

display a count of lines, words and characters in a file——word count

wc 命令是 "word count" (字数统计) 的缩写，用来统计文件的行数、单词数和字节数。

• -c: 字节数 (count bytes)
• -l: 行数 (count lines)
• -w: 单词数 (count words)
• 不带选项： wc filename
  • 它会默认同时显示：行数 单词数 字节数 文件名
• 带选项： wc -l filename
  • 它就只显示行数。

Utility - diff

diff 命令，这是一个在 Unix/Linux 中非常基础且强大的文件比较工具。它的核心功能是逐行比较两个文本文件（file1 和 file2），然后告诉你它们之间具体有哪些行不同（比如哪些行被添加、删除或修改了）。

这个命令在编程和工程领域特别有用，比如用来比较不同版本的源代码、配置文件或数据列表（如图中提到的 netlist，即网表），能让你快速定位修改过的地方。而 tkdiff 和 windiff 则是 diff 的图形界面版本，它们能更直观地（比如并排）显示两个文件的差异，比纯文本输出更容易阅读。

grep 命令

grep 是 Unix/Linux 中用于文本搜索的工具，在文件中搜索匹配的行并打印出来。

名称来源：Global search for Regular Expression and Print

三种模式

1. grep (标准模式)

使用基础正则表达式搜索

2. fgrep (固定字符串)

只搜索精确字符串，不使用正则表达式，速度更快

3. egrep (扩展模式)

使用扩展正则表达式，支持 +, ?, | 等语法

• 等同于 grep -E

使用示例

搜索特定单词

grep static ./*.c

在当前目录所有 .c 文件中搜索包含 "static" 的行

搜索以特定字符开头的行

grep ^# *.cpp

在所有 .cpp 文件中搜索以 # 开头的行

• ^ 表示行首

管道与选项组合

man find | grep -ci perm

在 find 命令手册中统计 "perm" 出现次数（忽略大小写）

• -c: 只显示匹配行数
• -i: 忽略大小写

常用选项

Grep 和 Find 的区别？

Find只和文件名，文件属性有关；Grep则是和文件内容相关