Linux 核心知识体系：文件系统结构与启动过程深度解析

1. Linux 文件系统结构（FHS）

文件系统层次结构标准（Filesystem Hierarchy Standard，FHS） 是 Linux 操作系统中文件和目录布局的规范。它确保了不同 Linux 发行版之间的一致性，便于软件管理、系统维护和可移植性。

FHS 的核心理念是将系统文件和用户数据、静态数据和可变数据进行逻辑分离，以实现系统稳定性、可管理性和多用户兼容性。

1.1 FHS 主要目录及其用途

/ (根目录)
- 文件系统层次结构的起点，所有其他目录和文件都在其下。
- 只包含系统启动和运行所需的最少文件和目录。
/bin (用户二进制文件)
- 所有用户都可用的基本命令，如 ls, cp, mv。这些命令是单用户模式下系统启动和维护所必需的。
/sbin (系统二进制文件)
- 系统管理员使用的基本系统管理命令，如 fdisk, mkfs, reboot。通常用于系统启动、恢复和维护。
/etc (配置文件)
- 所有系统范围的配置文件，如 /etc/passwd, /etc/group, 服务配置文件。通常是文本文件。
/dev (设备文件)
- 设备文件，是操作系统与硬件设备交互的接口，如 /dev/sda (硬盘), /dev/tty0 (终端)。
/proc (进程信息虚拟文件系统)
- 虚拟文件系统，提供内核和进程的实时信息，如 /proc/cpuinfo, /proc/meminfo。内容在内存中动态生成。
/sys (系统文件系统)
- 虚拟文件系统，提供结构化的内核数据和硬件设备信息，用于设备模型和驱动程序状态，如 /sys/class/net。
/var (可变数据文件)
- 在系统正常运行期间会频繁变化的数据，如 /var/log (日志文件), /var/tmp (比 /tmp 更持久的临时文件)。
/tmp (临时文件)
- 所有用户都可以写入的临时文件，通常在系统重启后会被清空。
/usr (Unix System Resources)
- 包含大部分用户使用的程序和文件，通常是只读的共享数据，如 /usr/bin (大部分用户命令), /usr/lib (库文件)。
- /usr/local: 本地安装的软件和数据，避免与系统自带的软件包冲突。
- /usr/share: 与架构无关的共享数据，如文档、man 手册。
/opt (可选的应用程序软件包)
- 用于安装附加的、独立的第三方应用程序软件包。
/home (用户主目录)
- 所有普通用户的个人主目录，包含用户数据和配置文件。
/root (超级用户主目录)
- root 用户（超级用户）的专用主目录。
/boot (引导加载程序文件)
- 引导加载程序（如 GRUB）所需的文件以及 Linux 内核文件，如 /boot/vmlinuz。
/mnt (临时挂载点)
- 用于临时挂载文件系统，如 CD/DVD-ROM, USB 驱动器。
/media (可移动媒体设备挂载点)
- 用于自动挂载可移动媒体设备，如 USB 闪存驱动器。
/srv (服务数据)
- 包含特定服务的数据，如 /srv/www (Web 服务器数据)。

2. Linux 内核交互接口：VFS、`/proc`、`/sys` 与相关核心机制

为了实现用户空间和内核空间的安全高效交互，Linux 内核设计了一系列接口和机制，其中 虚拟文件系统 (VFS) 扮演核心角色，而 /proc 和 /sys 则是其重要实现。

2.1 虚拟文件系统机制（VFS）

VFS (Virtual Filesystem Switch) 是 Linux 内核的一个抽象层，它提供一个 统一的文件系统接口，让用户程序以相同方式访问不同类型的文件系统，屏蔽了底层文件系统的实现细节。

统一接口： 应用程序通过标准系统调用（open(), read(), write(), close()）与 VFS 交互。
兼容性： 新的文件系统类型可轻松集成，无需修改现有应用程序。

2.2 虚拟文件系统类型详解

2.2.1 procfs (`/proc`)

procfs 是 /proc 目录背后的虚拟文件系统，它是一个基于内存的、动态的、大部分只读的文件系统，用于提供关于 系统进程和内核状态的实时信息。

进程信息： 每个运行中的进程都有一个以其 PID 命名的子目录（如 /proc/1234），包含 cmdline, exe, status 等。
内核参数与状态： 通过 /proc/sys 子目录暴露大量可读可写的内核参数，允许运行时调整内核行为。
虚拟化： 内容在内存中动态生成，不占用实际磁盘空间。

2.2.2 sysfs (`/sys`)

sysfs 是 /sys 目录背后的虚拟文件系统，在 Linux 2.6+ 内核中引入，旨在提供一个 更结构化、面向对象、易于编程的接口，用于暴露 内核的设备模型信息。

统一设备模型： 它是 Linux 设备模型的具体体现，将设备、驱动、总线等组织成层次化结构。
层次化结构： /sys/bus/ (总线类型), /sys/class/ (设备类别), /sys/devices/ (物理连接拓扑)。
设备属性： 每个设备目录下文件代表设备属性，可读写（如 MAC 地址、电源状态）。
事件通知： 与 udev 紧密协作，通过 netlink 向用户空间发送设备状态变化通知。

2.2.3 tmpfs

tmpfs 是一种基于 RAM（内存）或 Swap（交换空间） 的虚拟文件系统，提供一个 高速、易失性的存储区域。

内存存储： 文件和目录存储在 RAM 中，读写速度快。
使用 Swap 空间： RAM 不足时，数据可交换到 Swap 分区。
易失性： 数据在系统重启后全部丢失。
动态调整大小： 根据需要动态增长和收缩。
常见挂载点： /dev/shm (进程间通信), /run (运行时数据), /tmp (临时文件)。

2.2.4 devtmpfs

devtmpfs 是 tmpfs 的特殊变种，在 Linux 2.6.32+ 内核中引入，旨在 简化 /dev 目录的生成和管理。

动态设备节点： 内核在系统启动早期直接在内存中创建 /dev 下的所有设备文件。
内核直接控制： 确保设备文件在引导早期就可用。
与 udev 协作： devtmpfs 创建基本设备文件，udev 在此基础上提供更高级的命名、权限和自动化管理（如创建符号链接）。
内存存储，易失性： 数据在系统重启后清空。

2.3 相关核心机制

2.3.1 udev 机制

udev 是 Linux 中的 设备管理子系统。

动态设备节点创建： 当硬件插入或移除时，动态在 /dev 下创建/删除设备文件。
基于规则的设备配置： 根据 /etc/udev/rules.d/ 中的规则，为设备文件分配固定名称、设置权限，并触发脚本。
用户空间守护进程： 监听内核发出的 netlink 事件。
udevadm 命令： 用于查询 udev 状态、测试规则、触发事件（如 udevadm info, udevadm monitor）。

2.3.2 sysctl 机制

sysctl 是命令行工具，用于在运行时 检查和修改 /proc/sys 目录下暴露的内核参数。

查询参数： sysctl -a。
设置参数： sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1。
永久设置： 将配置写入 /etc/sysctl.conf 或 /etc/sysctl.d/，然后用 sysctl -p 加载。

2.3.3 kmod 机制

kmod 是用于 管理 Linux 内核模块的工具集。内核模块可在运行时动态加载/卸载，扩展内核功能。

modprobe： 最常用，加载/卸载模块及其依赖项。
insmod： 直接加载单个模块文件。
rmmod： 卸载单个模块。
lsmod： 列出已加载模块。
depmod： 分析模块依赖关系。

3. Linux 启动过程深度解析：UEFI → GRUB2 → initramfs → systemd

Linux 系统的启动是一个多阶段协同工作的复杂过程。

3.1 UEFI/BIOS 阶段 (固件初始化)

系统启动的第一个环节，由主板固件负责。现代系统主要使用 UEFI。

初始化硬件： 执行 **POST (Power-On Self-Test)**。
启动设备选择： 根据启动顺序查找可引导设备。
UEFI 独有特性：
- 支持 GPT 分区。
- **安全启动 (Secure Boot)**：验证启动链中组件的数字签名。
- **EFI 系统分区 (ESP)**：存放 EFI 应用程序（如引导加载器 grubx64.efi）。
流程： UEFI/BIOS 执行 POST → 找到并加载 ESP 中的 EFI 应用程序。

3.2 GRUB2 阶段 (引导加载器)

GRUB2 (GRand Unified Bootloader version 2) 是最常用的引导加载器。

多系统引导： 可识别和引导多个操作系统。
模块化设计： 灵活且强大。
支持多种文件系统： 可直接读取文件系统上的内核和 initramfs。
交互式菜单： 提供选择操作系统或修改启动参数的菜单。
流程 (UEFI)： UEFI 执行 grubx64.efi → GRUB2 读取 grub.cfg → 加载 Linux 内核映像 (vmlinuz) 和 初始内存文件系统 (initramfs) 到内存 → 将控制权交给内核。

3.3 initramfs (Initial RAM Filesystem) 阶段

在内核挂载根文件系统前，提供临时工具和驱动。

临时根文件系统： 压缩的 CPIO 归档文件，加载到内存中作为临时根文件系统。
提供早期驱动： 包含访问根文件系统所需驱动（如 LVM, 加密文件系统）和早期启动工具。
解压并挂载真根： initramfs 中的 /init 脚本负责加载驱动，找到并挂载真正的根文件系统，然后通过 pivot_root 或 chroot 切换控制权。

3.4 systemd 阶段 (系统初始化)

控制权最终移交给 /sbin/init，在现代 Linux 中通常是 systemd。

PID 1 进程： systemd 是系统启动的第一个用户空间进程，PID 永远是 1。
服务管理器： 负责启动、停止、重启、监控所有系统服务。
并行启动： 采用并行化策略，大大加快启动速度。
基于 Unit 的配置： 使用 service, target, mount 等 Unit 文件定义资源和启动行为。
日志管理 (journald)： 统一的日志管理机制。
设备管理 (udev)： 集成 udev 进行动态设备管理。
流程： 内核启动 systemd → systemd 加载 Unit 文件 → 确定启动目标 → 解析依赖并并行启动服务 → 启动登录管理器 → 用户登录。

3.5 总结流程图：

上电 (按下电源键)
       |
       V
+-------------------+
| UEFI/BIOS 固件    | (初始化硬件，POST，选择启动设备)
+-------------------+
       |
       V
+-------------------+
| GRUB2 (引导加载器)| (加载内核和 initramfs 到内存)
+-------------------+
       |
       V
+-------------------+
| Linux 内核 +      | (解压 initramfs, 临时根文件系统，加载驱动，找到并挂载真根)
| initramfs         |
+-------------------+
       |
       V
+-------------------+
| systemd (PID 1)   | (加载 Unit，并行启动服务，管理系统进程和资源)
+-------------------+
       |
       V
用户登录界面 / 系统就绪