GNU/Linux 进阶 (Ubuntu)

本文记录 GNU/Linux 进阶内容，操作系统为 Ubuntu 22.04。

权限管理

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。我们从现象入手逐个进行讲解。

首先以 root 用户身份登录并进入 /opt/OS/task2/ 目录，然后创建一个测试文件 root_file.txt 和一个测试文件夹 root_folder。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 $6$ 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。$2-5$ 列的信息都很显然，我们重点关注第一列信息。

第 $1$ 列一共有 $10$ 个字符，其中第 $1$ 个字符表示当前文件的类型，共有如下几种：

表 1. 符号与文件类型的关系

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 $2-10$ 共 $9$ 个字符分 $3$ 个一组，分别表示：属主 (user) 权限、属组 (group) 权限和其他用户 (other) 权限。

用户和组

首先我们需要明确用户和组这两个概念的定义：

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

图 2. 直观理解用户和组

权限类别

一共有 3 种权限，如下表所示：

表 2. 权限类别

	文件	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

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八进制数字化。读 $r$ 对应 $4$，写 $w$ 对应 $2$，可执行 $x$ 对应 $1$，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 $777$。

相关命令

下面罗列一些和权限管理相关的命令。

提升权限：

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

创建用户：

1	`useradd <username>`

删除用户：

1	`userdel <username>`

-r 表示同时删除数据信息。

修改用户信息：

usermod

使用 -h 参数查看所有用法。

修改用户密码：

1	`passwd <username>`

切换用户：

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

创建用户组：

1	`groupadd`

删除用户组：

1	`groupdel`

改变属主：

1	`chown <user> <filename>`

将指定文件 filename 更改属主为 user。

改变属组：

1	`chgrp <group> <filename>`

将指定文件 filename 更改属组为 group。

改变权限：

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

-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

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

在熟悉了 bash shell 的基本命令以及 GNU/Linux 中用户与权限管理的基本概念后，我们就可以开始尝试管理 GNU/Linux 中的进程了。接下来简单介绍一下 GNU/Linux 的进程管理。最后再通过调试一个 C 程序来熟悉 GNU 调试工具 gdb (GNU Debugger) 的使用。

进程监视

查看进程状态：

ps

动态查看进程状态：

top

杀死某个进程：

kill -9 <PID>

练习

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

进程调试

参考 GDB 官网。常用的如下：

开始运行：r 即 run

设置断点

1	`break <line_num>`

运行到下一个断点：c 即 continue

练习

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。

C/C++ 编程

本部分主要是为了熟悉 C/C++ 编程中的「静态链接」与「动态链接」逻辑。

GCC 基础

相比于在 Windows 进行 C/C++ 编程时需要自己额外安装编译器集合 MSVC (Microsoft Visual C++) 或 MinGW (Minimalist GNU for Windows)，GNU/Linux 发行版 Ubuntu22.04 已经默认配置好了编译器集合 GCC (GNU Compiler Collection)，我们可以利用 GCC 提供的前端工具 gcc 等快捷地使用编译器集合中的所有工具。具体命令可以参考 GCC 官方在线文档：https://gcc.gnu.org/onlinedocs/。

我们可以使用 gcc --version 命令查看当前的 GCC 版本：

root@dwj2:/opt/OS/task4# gcc --version
gcc (Ubuntu 11.4.0-1ubuntu1~22.04) 11.4.0
Copyright (C) 2021 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

因此我们选择版本最相近的手册 gcc-11.5.0 进行阅读。对于最基本的编译操作和理论，已经在计算机系统基础课程中有所学习，不再赘述。

环境变量。对于当前路径下链接出来的可执行文件 demo，为什么 demo 无法正常执行，./demo 就可以正常执行？根本原因是 bash 默认执行 PATH 环境变量下的可执行文件，显然上述的 demo 可执行文件并不在 PATH 对应的路径下，那么 PATH 路径都有哪些呢？我们使用 echo $PATH | tr ':' '\n' 打印出来：

root@dwj2:/opt/OS/task4# echo $PATH | tr ':' '\n'
/usr/local/sbin
/usr/local/bin
/usr/sbin
/usr/bin
/usr/games
/usr/local/games
/snap/bin

能不能使用 demo 运行呢？有很多解决办法，但根本逻辑都是将当前路径加入到 PATH 环境变量。下面补充几个 gcc 和 g++相关的环境变量：

头文件搜索路径
- C_INCLUDE_PATH: gcc 找头文件的路径。
- CPLUS_INCLUDE_PATH: g++ 找头文件的路径。
库文件搜索路径
- LD_LIBRARY_PATH: 找动态链接库的路径。
- LIBRARY_PATH: 找静态链接库的路径。

编译选项。在计算机系统基础中已经学习到了，C/C++ 最基本的编译链就是 -E、-S、-c、-o，每一个参数都包含前面所有的参数。下面主要讲讲 -I<dir>，-L<dir> 和 -l<name> 三个参数。

1）-I<dir> 顾名思义就是「头文件导入」的搜索目录。例如下面的编译语句：

1	`gcc –I/opt/OS/task4/include demo.c`

注意：当我们不使用 -o 参数指定 outfile 的名称时，默认是 a.out。

2）-L<dir> 顾名思义就是「库文件连接」搜索目录。例如下面的编译语句：

gcc -o x11fred -L/usr/openwin/lib x11fred.c

3）-l<name> 比较有意思，就是直接制定了库文件是哪一个。正因为有了这样的用法，我们在给库文件 (.a 表示静态库文件，.so 表示动态库文件) 起名时，就只能起 lib<name>.a 或 lib<name>.so。例如下面的编译语句：

gcc -o fred -lm fred.c

等价于：

gcc –o fred /usr/lib/libm.a fred.c

库的链接

对于下面的函数库与调用示例：

// addvec.c
void addvec(int* x, int* y, int* z, int n) {
    for(int i = 0; i < n ; i++) {
        z[i] = x[i] + y[i];
    }
}

// multvec.c
void multvec(int* x, int* y, int* z, int n) {
    for(int i = 0; i < n ; i++) {
        z[i] = x[i] * y[i];
    }
}

// vector.h
void addvec(int* x, int* y, int* z, int n);
void multvec(int* x, int* y, int* z, int n);

// main.c
#include <stdio.h>
#include "vector.h"
int x[2] = {1, 2}, y[2] = {3, 4}, z[2];
int main() {
    addvec(x, y, z, 2);
    printf("z = [%d, %d]\n", z[0], z[1]);
    return 0;
}

生成静态库文件 libvector.a 并链接至可执行文件 p1 中：

# 将两个自定义库函数编译为可重定位目标文件 addvec.o 和 multvec.o
gcc -c addvec.c multvec.c

# 将两个可重定位目标文件打包成静态库文件 libvector.a
ar crv libvector.a addvec.o multvec.o

# 生成静态链接的可执行文件 p1
gcc -static -o p1 main.c -L. -lvector

生成动态库文件 libvector.so 并链接至可执行文件 p2 中：

# 将两个自定义库函数编译为动态库文件 libvector.so
gcc -shared -o libvector.so addvec.c multvec.c

# 生成动态链接的可执行文件 p2
gcc -o p2 main.c -L. -lvector

# 使用 ./p2 执行之前需要明确一下动态库文件的链接搜索路径，否则会找不到动态库文件
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:.

最后我们查看一下 p1 和 p2 详细信息，如下图所示。显然静态链接的可执行文件 p1 占用的存储空间远大于动态连接的可执行文件 p2。

工具扩展

目录可视化工具 tree

Linux 默认自带，Windows 下载地址：Tree for Windows，将二进制文件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。

URL 下载工具 wget

Linux 默认自带，Windows 下载地址：Windows binaries of GNU Wget。

基本命令格式：wget [url]

指定文件名：-O。
指定目录：-P。
下载多个文件：wget -i [url.txt]。
断点续传：wget -c -t [n] [url]。n 代表尝试的次数，0 代表一直尝试。
后台执行：wget -b [url]。执行该命令的回显信息都会自动存储在 wget.log 文件中。
下载一个网站的所有图片、视频和 pdf 文件：wget -r -A.pdf url。