Linux 运维技术之 Linux 云计算架构

我以下图为基础，说明 Linux 的架构(architecture)。

最内层是硬件，最外层是用户常用的应用，比如说 firefox 浏览器，evolution 查看邮件，一个计算流体模型等等。硬件是物质基础，而应用提供服务。但在两者之间，还要经过一番周折。

还记得 Linux 启动。Linux 首先启动内核 (kernel)，内核是一段计算机程序，这个程序直接管理管理硬件，包括 CPU、内存空间、硬盘接口、网络接口等等。所有的计算机操作都要通过内核传递给硬件。

为了方便调用内核，Linux 将内核的功能接口制作成系统调用(system call)。系统调用看起来就像 C 语言的函数。你可以在程序中直接调用。Linux 系统有两百多个这样的系统调用。用户不需要了解内核的复杂结构，就可以使用内核。系统调用是操作系统的最小功能单位。一个操作系统，以及基于操作系统的应用，都不可能实现超越系统调用的功能。一个系统调用函数就像是汉字的一个笔画。任何一个汉字都要由基本的笔画（点、横、撇等等）构成。我不能臆造笔画。

在命令行中输入$man2syscalls可以查看所有的系统调用。你也可以通过$ man 2 read 来查看系统调用 read()的说明。在这两个命令中的 2 都表示我们要在 2 类(系统调用类)中查询 (具体各个类是什么可以通过 $man man 看到)。

系统调用提供的功能非常基础，所以使用起来很麻烦。一个简单的给变量分配内存空间的操作，就需要动用多个系统调用。Linux 定义一些库函数(library routine)来将系统调用组合成某些常用的功能。上面的分配内存的操作，可以定义成一个库函数(像 malloc()这样的函数)。再比如说，在读取文件的时候，系统调用要求我们设置好所需要的缓冲。我可以使用 Standard IO 库中的读取函数。这个读取函数既负责设置缓冲，又负责使用读取的系统调用函数。使用库函数对于机器来说并没有效率上的优势，但可以把程序员从细节中解救出来。库函数就像是汉字的偏旁部首，它由笔画组成，但使用偏旁部首更容易组成字，比如"铁"。当然，你也完全可以不使用库函数，而直接调用系统函数，就像“人”字一样，不用偏旁部首。

(实际上，一个操作系统要称得上是 UNIX 系统，必须要拥有一些库函数，比如 ISO C 标准库，POSIX 标准等。)

shell 是一个特殊的应用。很多用户将它称为命令行。shell 是一个命令解释器(interpreter)，当我们输入“ls -l”的时候，它将此字符串解释为

1.在默认路径找到该文件(/bin/ls)，2.执行该文件，并附带参数"-l"。

我之前用>表示重新定向，用|表示管道，也是通过 shell 解释 &或者|的含义。Shell 接着通过系统调，用指挥内核，实现具体的重定向或者管道。在没有图形界面之前，shell 充当了用户的界面，当用户要运行某些应用时，通过 shell 输入命令，来运行程序。shell 是可编程的，它可以执行符合 shell 语法的文本。这样的文本叫做 shell 脚本(script)。可以在架构图中看到，shell 下通系统调用，上通各种应用，同时还有许多自身的小工具可以使用。Shell 脚本可以在寥寥数行中，实现复杂的功能。

UNIX 的一条哲学是让每个程序尽量独立的做好一个小的功能。而 shell 充当了这些小功能之间的"胶水"，让不同程序能够以一个清晰的接口(文本流)协同工作，从而增强各个程序的功能。这也是 Linux 老鸟鼓励新手多用 shell，少用图形化界面的原因之一。

(shell 也有很多种，最常见的是 bash, 另外还有 sh, csh, tcsh, ksh。它们出现的年代不同，所支持的功能也有差异。)

一个 shell 对应一个终端 (terminal)。曾经来说，终端是一个硬件设备，用来输入并显示输出。如今，由于图形化界面的普及，终端往往就像上图一样，是一个图形化的窗口。你可以通过这个窗口输入或者输出文本。这个文本直接传递给 shell 进行分析解释，然后执行。

最后，我们进入一般的应用。应用是一个程序，它可以

1.直接调用系统函数 2.调用库函数 3.运行 shell 脚本

这些应用可以由多种语言开发。最常见的是 C 语言。

总结

Linux 利用内核实现软硬件的对话。

通过系统调用的这个接口，Linux 将上层的应用与下层的内核分离，隐藏了底层的复杂性，也提高了上层应用的可移植性。

库函数利用系统调用创造出模块化的功能，

Shell 则提供了一个用户界面，并让我们可以利用 shell 的语法编写脚本，以整合程序。