第 1 章 操作系统概述

1.1 认识操作系统

核心结论：
操作系统是计算机系统中最基础的软件，位于硬件之上，承担着资源管理与控制、为用户构建操作接口和运行环境的核心职责。

关键知识点：
计算机系统的资源可分为两大类：硬件资源（如 CPU、内存、外部设备）和信息资源（主要指文件数据）。
从不同角度理解操作系统：
- 作为资源管理者，负责协调和分配系统资源；
- 作为用户接口，隐藏底层硬件复杂性，提供易于使用的抽象计算平台；
- 作为系统基石，支撑上层各类软件的正常运行。
操作系统具备五大基本功能：
- 处理器管理：对 CPU 进行任务调度与分配；
- 存储器管理：合理分配内存空间，提供保护机制，并支持虚拟内存等扩展技术；
- 设备管理：统一控制输入输出设备，屏蔽具体操作细节；
- 文件管理：组织和管理存储在磁盘上的文件，实现共享与安全访问；
- 用户接口：提供命令行、图形界面以及程序调用接口供用户交互。

1.2 操作系统的发展与现状

核心结论：
操作系统的发展历程与硬件技术进步密切相关，经历了多个阶段的演进，逐步形成多样化的分类体系，以满足不同应用场景的需求。

关键知识点：
发展阶段划分如下：
- 第一代（电子管时代）：尚无操作系统概念，采用手工操作或简单批处理方式，效率非常低下；
- 第二代（晶体管时代）：出现批处理系统（监督程序雏形），以及执行程序系统，利用中断和通道技术实现 CPU 与外设并行工作；
- 第三代（集成电路时代）：引入多道批处理提升资源利用率，分时系统支持多用户交互使用，实时系统则用于需要快速响应的工业控制场景；
- 第四代（大规模集成电路时代）：个人计算机兴起，诞生了 PC 操作系统（单用户多任务、图形化界面），同时网络操作系统支持资源共享，嵌入式操作系统广泛应用于移动设备和智能控制系统。

常见的分类方式包括：
- 按处理模式划分：多道批处理系统（注重吞吐量，常见于大型主机）、分时系统（强调交互性，如 UNIX）、实时系统（要求限时响应，适用于航空航天等领域）；
- 按规模与用途划分：主机操作系统（高可靠性、高性能）、通用操作系统（结合分时与批处理特性，适合服务器环境）、个人操作系统（强调易用性，代表有 Windows、Mac OS、Android）；
- 按体系结构划分：网络操作系统（具备网络通信能力）、分布式操作系统（多个节点协同完成任务）、嵌入式操作系统（体积小、高效可靠，如 iOS、嵌入式 Linux）。

1.3 Linux 操作系统概述

核心结论：
Linux 是一种基于 UNIX 架构设计的开源自由操作系统，继承了 UNIX 的稳定性与高效性，已在服务器、桌面、嵌入式等多个领域广泛应用。

关键知识点：

Linux 的发展背景涉及多个重要因素：
- UNIX 系统采用 C 语言编写，源码公开，奠定了可移植性的基础；
- Minix 是一个教学用微型 UNIX 系统，启发了 Linux 的设计理念；
- Internet 的普及促进了全球开发者的协作；
- GNU 计划致力于推动自由软件运动，提供了大量核心工具（如 gcc、gdb），为 Linux 成熟奠定基础。

发展历程简述：
1991 年，Linus Torvalds 发布 Linux 内核 0.01 版；
1994 年发布 1.0 版本，正式遵循 GPL 开源协议；
1996 年 2.0 版推出后进入实用阶段，随后获得企业界广泛支持并迅速推广。

核心特点包括：
- 继承 UNIX 设计理念，系统稳定可靠；
- 遵循 GPL 协议，代码完全开放，允许自由修改与分发；
- 符合 POSIX 标准，具有良好兼容性；
- 可移植性强，大部分内核代码由 C 语言实现，便于跨平台移植；
- 内建强大的网络功能，性能优越；
- 安全机制完善，权限控制严格，漏洞修复响应迅速。

Linux 系统主要由三部分组成：
- 内核（Kernel）：最核心的部分，直接管理硬件资源并调度程序运行；
- Shell：命令解释器，作为用户与系统之间的交互界面；
- 文件系统：组织和存储文件的层次结构集合。

版本类型说明：
- 内核版本格式为“主版本号.次版本号.修订号”，其中主版本和次版本标识核心系列，修订号表示补丁更新或驱动增强；
- 发行版本是在内核基础上集成图形界面、工具链及应用软件的完整操作系统发行包。主流发行版包括：
   Red Hat 系列：RHEL、CentOS、Fedora（企业级推荐 RHEL/CentOS）；
   Debian 系列：Debian、Ubuntu、Linux Mint（初学者推荐 Ubuntu 或 Mint）；
   SUSE 系列：SUSE Linux Enterprise、openSUSE。
不同发行版针对不同用户群体进行优化配置。

第 2 章 Linux 操作基础

2.1 Linux 基本操作

核心结论：
Linux 是一个多用户多任务系统，必须通过身份认证登录才能使用，基本操作涵盖登录、密码修改、退出、关机与重启等日常维护动作。

关键知识点：
终端的类型可以从多个维度区分：
- 显示模式：字符终端（仅显示文本）与图形终端（支持窗口与鼠标操作）；
- 连接方式：本地终端（物理连接的控制台）与远程终端（通过网络接入）；
- 实现形式：物理终端、虚拟终端（通过 Ctrl+Alt+F1~F12 切换，最多可达 12 个）以及伪终端（图形环境中模拟的命令行终端，如 GNOME Terminal）。

登录方式主要包括：
- 本地登录：可通过虚拟终端进入字符或图形界面，支持同一用户在多个终端同时登录；
- 远程登录：使用 ssh 协议连接远程主机，借助仿真终端工具（例如 PuTTY）实现访问。
登录流程通常为：
login: 输入用户名
password: 输入对应口令（输入过程不显示字符）

常用核心操作命令：
- 修改密码：使用 passwd 命令，系统提示输入新密码并确认；
- 退出当前会话：执行 logout 命令或按下 Ctrl + D 快捷键；
- 关闭系统：运行 shutdown now 命令（需 root 权限，但桌面版通常允许普通用户执行）；
- 重启系统：输入 reboot 命令即可。

2.2 Linux 命令

核心结论：
所有 Linux 命令均由 Shell 解释执行，掌握命令的基本语法结构、输入方法以及获取帮助的方式，是熟练使用 Linux 系统的前提。

关键知识点：
命令的标准格式为：
命令名 [选项] [参数]
其中，选项用于调整命令行为：
- 单字符选项以前缀 “-” 表示（如 -l）；
- 多字符选项使用 “--” 开头（如 --help）；
- 多个单字符选项可以合并书写（如 ls -la 等价于 ls -l -a）。
参数则是命令作用的对象（如文件名、目录路径等）。

命令的输入与执行过程：
用户在 Shell 提示符后输入完整命令，按回车键提交，Shell 将解析命令并调用相应程序执行。若命令不存在或语法错误，将返回错误信息。可通过 history 查看历史命令记录，使用上下箭头快速调用。

编辑快捷键说明：

• Backspace 或 Delete：用于删除字符。
• Tab：实现命令自动补齐功能。
• 上下方向键：浏览历史输入的命令记录。

运行控制相关按键：

• Enter：提交并执行当前命令。
• Ctrl + c：中断正在运行的程序或命令。
• Ctrl + s：暂停屏幕滚动输出。

基础常用命令一览：

• who：列出当前已登录系统的用户信息。使用 -H 参数可显示表头，-q 参数则仅统计在线用户数量。
• echo：输出指定字符串内容。添加 -n 选项可禁止换行输出；若字符串中包含空格，需用引号包裹。
• date：查看或设置系统时间，支持自定义格式化输出，例如使用 +%Y-%m-%d %T 显示为“年-月-日 时:分:秒”格式。
• cal：显示日历信息，可通过参数指定具体月份和年份，如 cal 2 2024 可显示2024年2月的日历。

获取帮助的方式：

• --help 选项：多数命令支持此参数以展示简要使用说明（例如 date --help）。
• man 命令：查阅详细的联机手册页，按 q 键退出查看界面，输入 /关键字 可进行文本搜索。
• info 命令：用于浏览结构化的超文本帮助文档，提供更丰富的交互式帮助内容。

2.3 Linux 文件系统操作核心要点

总体结论：Linux 的文件体系基于树状层级结构，掌握文件与目录的基本操作是使用系统的基础，重点包括命名规范、权限机制及关键命令的熟练运用。

文件命名规则：

• 文件名最大长度为255个字符。
• 允许使用的字符包括字母、数字以及下划线 "_"、连字符 "-" 和点 "."。
• 以 "." 开头的文件被视为隐藏文件。
• 禁止使用斜杠 "/" 和空字符；建议避免在文件名中使用空格、分号 ";"、小于号 "<" 等具有特殊含义的 Shell 元字符。
• 名称严格区分大小写，例如 Readme 与 readme 被视为两个不同的文件。

通配符匹配规则：

• ?：匹配任意单个字符。例如 abc?? 可匹配 abc12、abcA9 等形式。
• *：匹配零个或多个任意字符（但不包含以 "." 开头的隐含文件前缀）。例如 *abc 表示所有以 abc 结尾的文件。
• []：用于匹配括号内的任意一个字符。如 [abc] 匹配 a、b 或 c；[a-z] 匹配任意小写字母；[!A-Z] 表示非大写字母的字符。

文件类型分类：

• - ：普通文件（如文本、二进制程序等）
• d ：目录文件
• c ：字符设备文件（如终端设备）
• b ：块设备文件（如硬盘分区）
• l ：符号链接文件（软链接）
• p ：管道文件（用于进程间通信）

文件归属与访问权限：

每个文件都具有两种归属属性：

• 属主：即文件的所有者用户。
• 属组：文件所属的用户组。

三种基本权限：

• r（读）：对文件表示可读取内容；对目录表示可列出其中的文件列表。
• w（写）：对文件表示可修改内容；对目录表示可在其中创建、删除或重命名文件。
• x（执行）：对文件表示可作为程序运行；对目录表示可进入该目录。
• -：表示无对应权限。

权限适用对象分为四类：

• u（属主）、g（组用户）、o（其他用户）、a（所有用户）。

权限表示方式有两种：

• 字符形式：由文件类型和三组权限组成，例如 drwxr-xr-- 表示一个目录，属主有全部权限，组用户和其他用户仅有读和执行权限。
• 数字形式：r=4，w=2，x=1，组合相加得到权限值。例如 755 对应 rwxr-xr-x。

目录结构基础：

• /：根目录，整个文件系统的顶层起点，所有路径均由此展开。
• .：代表当前所在目录。
• ..：代表上级目录（父目录）。
• ～ 或 /home/用户名：表示用户的主目录。
• 绝对路径：从根目录开始的完整路径，如 /home/cherry/project。
• 相对路径：相对于当前目录的位置，如 ./project 或 ../data。

常用目录管理命令：

• pwd：打印当前工作目录的绝对路径。
• cd：切换当前目录。例如 cd ~ 进入用户主目录，cd .. 返回上一级目录。
• ls：列出目录内容。常用选项：-a 显示所有文件（含隐藏文件），-l 以长格式显示详细信息（权限、属主、大小、时间等），-R 递归显示子目录内容。
• mkdir：新建目录。-m 可设定初始权限，-p 支持创建多级嵌套目录。
• rmdir：删除空目录。配合 -p 可递归删除连续的空父目录。

常见文件操作命令：

• cat：显示文件全部内容。-n 添加行号，-s 合并连续的空白行为一行。
• more / less：分页查看大文件内容。more 使用空格翻页，less 支持上下箭头逐行滚动，功能更强大。
• cp：复制文件或目录。-i 在覆盖前提示确认，-r 递归复制整个目录结构，-b 自动备份将被覆盖的文件。
• rm：删除文件或目录。-i 提示确认操作，-r 递归删除目录及其内容，-f 强制删除（慎用）。
• mv：移动文件或重命名。-i 覆盖前询问，-b 若目标存在则先备份原文件。
• wc：统计文件中的字节数、单词数和行数。-c 统计字节，-w 统计词数，-l 统计行数。
• sort：对文件内容进行排序。-k n 指定按第 n 个字段排序，-r 实现逆序排列，-f 忽略大小写差异。
• chmod：更改文件权限。支持字符模式（如 u+x 给属主增加执行权限，多个操作可用逗号隔开），也支持数字模式（如 chmod 644 file）。
• touch：更新文件的时间戳；若文件不存在，则创建一个空文件。
• umask：设置或查看默认的文件创建权限掩码，影响新生成文件和目录的初始权限。
• find：按条件查找文件，支持根据文件名（-name）、所有者（-user）、类型（-type）、修改时间（-mtime）等筛选，并可通过 -exec 执行后续命令。
• grep：在文件中搜索指定字符串。-i 忽略大小写，-n 显示匹配行的行号，-r 递归搜索目录下所有文件，-v 输出不匹配的行。

2.4 输入输出重定向机制

核心结论：通过输入输出重定向，可以灵活地改变命令的数据来源和输出目标；结合管道技术，能够将多个命令串联起来，显著提升命令行操作效率。

标准 I/O 流说明：

• stdin（标准输入）：默认来自键盘输入，文件描述符为 0。
• stdout（标准输出）：默认输出到终端屏幕，文件描述符为 1。
• stderr（标准错误输出）：错误信息默认也输出至屏幕，文件描述符为 2。

第 3 章 vi 文本编辑器

3.1 vi 文本编辑器概述

核心结论：vi 是 Linux 系统中默认的全屏文本编辑工具，具备多种工作模式，功能强大且兼容各种终端环境，广泛应用于程序编写与系统维护场景。

关键知识点：

• 主要特性：支持正则表达式搜索、宏操作；在所有 UNIX 和 Linux 系统中均预装；适应不同终端类型；命令简洁高效，便于快速操作。
• 三种基本模式：
  • 命令模式：启动后默认进入此模式，用于执行光标移动、删除、复制等编辑指令，输入内容被视为命令而非文本。
  • 插入模式：通过 i、I、a、A、o 或 O 等键进入，可进行文本输入，按 Esc 键返回命令模式。
  • 末行模式：通过 :、? 或 ! 进入，用于执行文件保存、查找替换等全局性操作，执行完毕自动回到命令模式。
• 基本使用流程：运行 vi 并指定文件（如 vi filename）→ 处于命令模式 → 切换至插入模式输入内容 → 回到命令模式进行编辑 → 进入末行模式保存并退出（例如输入 :wq）。

3.2 vi 基本命令

核心结论：vi 提供了一套完整的基础编辑命令，涵盖光标控制、文本增删改查、复制粘贴及撤销重做等功能，命令设计精简高效，需熟练掌握以提升操作效率。

关键知识点：

• 光标定位与移动：
  • 基础移动：h（左移）、j（下移）、k（上移）、l（右移），等效于方向键；0 表示跳转到行首，$ 表示行尾，^ 定位至行首第一个非空格字符。
  • 高级跳转：w（移至下一个单词开头）、b（前一个单词开头）、e（当前单词结尾）；(（句首）、)（句尾）、{（段落起始）、}（段落结束）；nG（跳转到第 n 行，单独 G 跳转至最后一行）；n|（移动到第 n 列，| 可跳转至首列）。
• 文本输入与删除：
  • 插入操作：i（在光标前插入）、I（在行首插入）、a（在光标后添加）、A（在行尾追加）、o（在当前行下方新建一行并插入）、O（在上方新建一行并插入）。
  • 删除操作：x（删除光标所在字符）、X（删除前一个字符）；dd（删除整行）、ndd（连续删除 n 行）；结合定位符使用 d 命令，如 d0（删至行首）、d$（删至行尾）、dw（删除一个词）。
• 修改与替换：
  • 修改命令：cc（替换整行内容）、ncw（修改 n 个词）、c + 定位符（如 c$ 修改从光标到行尾的内容）。
  • 替换命令：r（替换单个字符）、R（进入连续替换模式，按 Esc 结束）；s（替换当前字符并进入输入状态）、ns（替换接下来的 n 个字符）、S（替换整行）。
• 复制、粘贴与选择：
  • 复制：yy（复制当前行）、nyy（复制 n 行）、y 加定位符（如 y$ 复制从光标到行尾）。
  • 粘贴：p（粘贴到光标之后）、P（粘贴到光标之前）。
  • 视觉选择：v（字符级选中）、V（整行选中）、Ctrl+v（块状区域选中），选中后可执行删除或复制操作。
• 撤销与重复：u（撤销上一步操作）、U（撤销对当前行的所有更改）、.（重复最后一次修改命令）。

3.3 vi 常用末行命令

核心结论：末行命令主要用于实现全局性任务，如搜索替换、文件管理、多行编辑等，是发挥 vi 高级功能的关键所在。

关键知识点：

• 查找与替换：
  • 搜索功能：/pattern 向后搜索匹配项，按 n 继续向下查找；?pattern 向前搜索，N 继续向上查找。
  • 替换语法：:[n1,n2] s/p1/p2/[g][c]，其中 n1,n2 指定作用行范围（% 代表全部行），p1 为原字符串，p2 为目标字符串，g 表示每行全部替换，c 表示每次替换前提示确认。示例：%s/the/The/gc 将全文中 "the" 替换为 "The" 并逐项确认。
  • 全局处理命令：g/p1/命令 —— 对包含 p1 的每一行执行指定命令；g!/p1/命令 —— 对不包含 p1 的行执行命令。
• 文件操作与退出方式：
  • 保存：:w（保存当前文件）、:w newfile（另存为新文件）。
  • 退出：:q（无修改时正常退出）、:q!（强制退出不保存）、:wq 或 :x（保存并退出）。
  • 其他操作：:e filename（打开另一个文件）、:r filename（将指定文件内容读入当前光标位置）、:e!（放弃所有未保存的更改，恢复原始内容）。
• 常用行编辑命令：
  • :n —— 跳转到第 n 行；
  • :n1,n2co n3 —— 将第 n1 至 n2 行复制到第 n3 行之后；
  • :n1,n2mo n3 —— 将第 n1 至 n2 行移动到第 n3 行之后；
  • :n1,n2d —— 删除第 n1 到 n2 行。

输入与输出重定向及管道机制

输入重定向：使用符号 < 将命令的输入源设置为文件，例如 cat < afile 表示从文件 afile 中读取内容作为输入。

输出重定向：

• 标准输出重定向：命令 > 文件 —— 将正常输出写入文件，若文件已存在则覆盖原有内容。
• 追加输出重定向：命令 >> 文件 —— 将输出追加至文件末尾，保留原有数据。
• 错误输出重定向：命令 2> 文件 —— 捕获命令执行过程中产生的错误信息并保存至指定文件。
• 合并输出重定向：命令 &> 文件 —— 同时重定向标准输出和错误输出到同一文件。

典型应用场景：合并多个文件内容、快速创建空白文件、向文件追加数据、屏蔽不需要的输出信息等。

管道操作：利用 | 符号连接两个命令，形式为 命令1 | 命令2，表示将前一个命令的标准输出作为后一个命令的标准输入。

T形管道：使用 tee 命令实现分流，格式为 命令1 | tee file | 命令2，既能将中间结果保存到文件，又能继续传递给后续命令处理。

常见应用实例：

• 分页显示：ls /bin | more —— 分屏查看大量目录内容；
• 过滤查询：who | grep root —— 查找登录用户中的 root 用户；
• 统计行数：ls | wc -l —— 计算当前目录下文件数量；
• 文件合并：cat file1 file2 > file3 —— 将两个文件内容合并生成新文件。

第 4 章 Linux C 编程基础

4.1 Linux C 编程方法概述

核心结论：
在 Linux 环境下进行 C 语言编程，通常需要结合文本编辑器、编译器和调试工具，按照“编写代码 → 编译 → 调试 → 执行”的基本流程操作。整个过程并不强制要求预先学习操作系统原理课程即可上手。

关键知识点：

• 编辑工具：vi 和 emacs 是功能强大且高度可定制的命令行编辑器，适合熟练用户；gedit 则提供图形化界面，更适合初学者使用。
• 编译工具：gcc 是默认的 C 编译器，遵循 ANSI C 标准；make 工具用于管理包含多个源文件的项目构建过程。
• 调试工具：gdb 支持设置断点、查看变量值等高级调试功能；printf 语句则可用于简单的运行时信息输出调试。
• 程序执行方式：用户自定义程序需明确路径才能运行（例如使用 ./myprog）；系统命令会自动在标准路径（如 /bin、/usr/bin）中查找。
• 帮助查询：man 命令是查阅系统调用、C 库函数等文档的核心工具，例如通过 man 3 printf 可查看 printf 函数的具体说明。

4.2 gcc 编译基础

核心结论：
gcc 的编译过程分为四个阶段：预处理、编译、汇编和链接。通过不同的选项可以控制每个阶段的行为，最终生成可执行程序。

关键知识点：

1. 编译四阶段：
   • 预处理（gcc -E）：处理 #include、#define 等指令，输出 .i 文件。
   • 编译（gcc -S）：将预处理后的代码转换为汇编语言，生成 .s 文件。
   • 汇编（gcc -c）：把汇编代码翻译成机器码，形成目标文件 .o。
   • 链接（gcc）：将一个或多个目标文件与所需库文件合并，生成可执行文件，默认名为 a.out。

2. 头文件搜索机制：
   • 对于 #include <xxx.h> 形式，系统会在默认目录（如 /usr/include）中查找。
   • 对于 #include "xxx.h" 形式，优先在当前目录查找，若未找到再搜索系统目录；可通过 -I 选项添加额外的搜索路径。

3. 库文件连接方式：
   • 静态库（.a 文件）：在链接时将库代码直接嵌入可执行文件，导致体积较大，但运行时不依赖外部库文件。
   • 共享库（.so 文件）：仅记录函数引用，在程序运行时动态加载，节省空间，但要求目标系统存在对应库。

4. 常用连接选项：
   • -L 指定额外的库文件搜索目录。
   • -l 后接库名（如 -lm 表示连接 libm.so 数学库）。
   • -static 强制使用静态库进行链接。

5. gcc 常用参数：
   • 过程控制：-E（仅预处理）、-S（生成汇编代码）、-c（生成目标文件）。
   • 输出控制：-o 指定输出文件名，-Wall 显示所有警告信息。
   • 优化选项：-O（启用基础优化），-O2（更深入优化），-Os（以减小体积为目标优化）。
   • 调试支持：-g 生成调试信息供 gdb 使用，-pg 生成性能分析数据。

应用实例：

• 单个源文件编译：gcc -o hello hello.c —— 直接生成名为 hello 的可执行程序。
• 多文件项目处理：gcc -c hello.c 和 gcc -c print.c 分别生成目标文件，然后执行 gcc -o hello hello.o print.o 完成链接。
• 引入自定义头文件目录：gcc -o hello -Iinclude hello.c print.c —— 使用 -I 指定 include 为头文件查找路径。
• 链接外部库文件：gcc -o hello hello.c -lcurses —— 连接 curses 库以支持终端界面操作。

4.3 联机手册

核心结论：
man 手册是 Linux 下不可或缺的技术参考资源，内容按章节分类，便于开发者快速查找命令用法、系统调用及 C 标准库函数的详细说明。

关键知识点：

• 手册节划分：
  • 第 1 节：常规 Linux 命令（如 man ls）。
  • 第 2 节：系统调用接口（如 man 2 exit）。
  • 第 3 节：C 语言库函数（如 man 3 printf）。
  • 其他章节包括：设备文件（第 4 节）、配置文件格式（第 5 节）、游戏程序（第 6 节）、杂项说明（第 7 节）、系统管理命令（第 8 节）。

• man 命令实用选项：
  • -k 关键字：模糊搜索含有该关键字的所有手册条目，例如 man -k exit。
  • -f 名称：列出指定名称在各节中的手册信息，如 man -f printf 显示所有与 printf 相关的手册页。
  • 浏览操作：使用 PageUp 和 PageDown 上下翻页，输入 /string 进行关键词搜索，按 n 跳转到下一个匹配项，q 键退出查看。

此外，在 vi 编辑器中也可执行外部 Shell 命令，语法为：:!命令，例如 :!ls 可列出当前目录下的文件内容。

关于编辑器设置的一些常用指令：

• :set nu —— 开启行号显示；
• :set nonu —— 关闭行号显示；
• :set ai —— 启用自动缩进；
• :set noai —— 禁用自动缩进；
• :help —— 查看 vi 内置帮助文档。