20分钟入门｜Unix系统与设计哲学——程序员应该知道的那些事儿
写在前面
这是一篇一直想写的东西，在上一份工作的时候给新员工培训，我就发现不止新入职的员工，很多多年工作经验的同事也对Unix系统和shell知之甚少，然而这些知识可以更好点帮你认识你所使用的系统原理、语言设计思想、提高工作效率。
整篇文章包含两部分，这是上半部分，主要介绍Unix系统和它的特性、Unix设计哲学以及Unix树形文件系统结构。
全文1.2w字，大部分都是我个人这些年使用类Unix系统的理解和总结，适合开发、测试同学阅读。
阅读完上下整篇文章，你会：
- ✅ 了解Unix系统特性与设计思想，了解Unix系统目录结构，以及各个目录功能。
- ✅ 了解什么是终端和Shell，以及关于环境变量。
- ✅ 获得一些实用的居家旅行、高效工作的
装X技巧shell和终端使用技巧。
常见操作系统
目前市面上常见的电脑操作系统就这三种了——Windows、MacOS和Linux。
大多数人一开始接触电脑时使用的应该都是微软的Windows系统；后来有一部分人先富起来了，就接触到了MacOS。
然而很少一部分人才会接触到Linux，这部分人大概率是服务端开发、运维人员，或者是嵌入式开发、内核工程师，但是真正拿Linux系统作为日常工作生活的主力系统的人更少之又少。
我算是其中一位，上学与工作期间使用Linux作为主力系统，换Mac也是最近些年的事情。
我最初投向Linux怀抱的原因很好笑，就是单纯的打dota激战正酣的时候，windows蓝屏了，然后我一气之下就把双系统windows的盘符格式化了。😂😂😂
Linux、MacOS与Unix
Linux，其实严格上来说，只是指操作系统内核。现在各种服务器和个人电脑中使用的是各种各样Linux发行版，也就是内核外面套着的各种界面和样式壳子。
MacOS则是苹果公司推出的具有友好且优美图形界面的操作系统，从一开始开放硬件到现在的专属系统，不管怎么样，B格一定拉满。
在我看来，Linux和Mac其实是一回事，都是一种类Unix的操作系统。
题外话：
就像现在经常听到的讨论鸿蒙OS是不是Android一样，在我看来，鸿蒙OS和Android都是一种Linux，Android在Linux上打了补丁套了一层虚拟机、framework和UI；鸿蒙OS是在Linux上打了补丁，套了一层虚拟机、自己的和Android的framework和UI。
那么问题来了，Unix是啥？
Unix系统是贝尔实验室研究开发的一套多用户、多任务、多层次（multi-user、multi-processor、multi-level）、支持多种处理器架构的分时操作系统，可以说是现代操作系统的起源。
目前它的商标权由国际开放标准组织所拥有，只有符合单一UNIX规范的UNIX系统才能使用UNIX这个名称，否则只能称为类UNIX（UNIX-like）。
当然Unix也不是凭空出现的，他的前身是Multics操作系统，多任务信息与计算系统（MULTiplexed Information and Computing System）的缩写，它是一套分时多任务操作系统，是1964年由贝尔实验室、麻省理工学院及美国通用电气公司所共同参与研发，并安装在大型主机上。1969年，因MULTICS项目的工作进度过于缓慢，最后终究遭裁撤的命运，贝尔实验室由此退出此项目。
当时，肯·汤普逊正在撰写一个称为“星际旅行”（Space Travel）的游戏程序。贝尔实验室退出Multics计划后，由贝尔实验室的两位软件工程师肯·汤普逊与丹尼斯·里奇以B语言和汇编语言为基础而发展出UNIX，1973年汤普逊和里奇用C语言重写了Unix，成为后来普及的版本。
一般来说，Linux是一套遵从POSIX（可移植操作系统接口，Portable Operating System Interface，X则表明其对Unix API的传承。）规范的一个操作系统，它能够在普通PC计算机上实现全部的UNIX特性，具有多任务、多用户的能力。
MacOS内核名为Darwin，是以BSD源代码（Berkeley Software Distribution，伯克利Unix版本）和Mach微核心为基础，也就是是一个派生自Unix的操作系统，BSD非常地宽松，因此BSD常被当作工作站级别的Unix系统。
Windows NT声称自己实现了部分POSIX，但是值得称赞的是，Win10H2版本后，微软迈出了重大的一步，系统利用虚拟化技术集成了WSL（Windows Subsystem for Linux），可以在Windows系统中获得和原生Linux系统一致的体验，以至于很多人调侃，目前阶段，体验最好的Linux发行版是Windows。😂
👉扩展阅读：关于WSL安装与使用，请移步另一篇博客：MacOS/Linux程序员Win10平台生存指北
参考：
Unix系统特点
国外Geek如何看Unix
1. Multiuser System :
多用户系统：
Unix系统采用时间片轮转的方式，保证计算资源在多个用户之间共享。
2. Multitask System :
多任务系统：
单个用户可以同时处理多个任务，比如，编辑一个文件的同时打印另一个文件，发送邮件的同时浏览网络。
内核从设计之初就支持用户的多任务需求，这里的多任务的设计，可以让用户看到一个任务在前台，其他任务在后台。用户可以切换、终止或挂起任务。
3. The Building-Block Approach :
积木式方法：
Unix开发者一贯坚持简洁原则，因此Unix有一堆命令，每个命令只完成一件事情。但是你可以通过”|”管道符号将两个命令连接起来，完成更多的业务。
直至今日，很多Unix工具都支持将另一个程序的输出作为自己的输入。我们通过这种机制可以得到各种各样的新工具。
个人理解：
这点设计思想和Windows截然不同，Windows上的软件习惯提供给用户一堆功能，而Linux依然贯彻小而美的理念，当然无可厚非，面向用户不同，Unix面向的是Developers，Windows面向的是普罗大众；这直接也决定了操作系统的生态与主要用途。
4. The UNIX Toolkit :
UNIX实用工具箱：
Unix有一个内核，但仅靠内核无法帮助用户。因此，我们需要使用通常与UNIX系统一起附带的各式各样实用工具。（各种命令行工具）
5. Pattern Matching :
模式匹配：
Unix提供了非常复杂的模式匹配功能，可以使用正则表达式进行匹配。
6. Programming Facility :
便于编程：
Unix提供shell程序，同时这也是为程序员而不是为普通用户设计的编程语言。它具有编程所需的所有控制结构、循环和变量。这些功能用于设计shell脚本（可以调用UNIX命令的程序）。
系统的许多功能都可以由这些shell脚本控制和管理。
7. Documentation :
完善的文档
它有一个代表手册的“man”命令，这是任何命令及其配置文件最重要的参考手册。
国内学者如何看Unix
UNIX系统在结构上分为核心程序（kernel）和外围程序（shell）两部分，而且两者有机结合成为一个整体。核心部分承担系统内部的各个模块的功能，即处理机和进程管理、存储管理、设备管理和文件系统。核心程序的特点是精心设计、简洁精干，只需占用很小的空间而常驻内存，以保证系统的高效率运行。外围部分包括系统的用户界面、系统实用程序以及应用程序，用户通过外围程序使用计算机。
UNIX系统提供了良好的用户界面，具有使用方便、功能齐全、清晰而灵活、易于扩充和修改等特点。UNIX系统的使用有两种形式：一种是操作命令，即shell语言，是用户可以通过终端与系统发生交互作用的界面；另一种是面向用户程序的界面，它不仅在汇编语言，而且在C语言中向用户提供服务。
UNIX系统的文件系统是树形结构。它由基本文件系统和若干个可装卸的子文件系统组成，既能扩大文件存储空间，又有利于安全和保密。
UNIX系统把文件、文件目录和设备统一处理。它把文件作为不分任何记录的字符流进行顺序或随机存取，并使得文件、文件目录和设备具有相同的语法语义和相同的保护机制，这样既简化了系统设计，又便于用户使用。
UNIX系统包含有非常丰富的语言处理程序、实用程序和开发软件用的工具性软件，向用户提供了相当完备的软件开发环境。
UNIX系统的绝大部分程序是用C语言编程的，只有约占5%的程序用汇编语言编程。C语言是一种高级程序设计语言，它使得UNIX系统易于理解、修改和扩充，并且具有非常好的移植性。
UNIX系统还提供了进程间的简单通信功能。
参考：赵文庆．UNIX和计算机软件技术基础．上海：复旦大学出版社，2011：9-23
Unix的设计思想
UNIX不仅仅是一个操作系统，更是一种生活方式。经过几十年的发展，UNIX在技术上日臻成熟的过程中，它独特的设计哲学和美学也深深地吸引了一大批技术人员，他们在维护、开发、使用UNIX的同时，UNIX也影响了他们的思考方式和看待世界的角度。
UNIX重要的设计原则：
- 简洁至上（KISS原则）
- 提供机制而非策略
道格拉斯·麦克罗伊是Unix系统上管道机制，也是Unix文化的缔造者之一。他归纳的Unix哲学如下：
- 程序应该只关注一个目标，并尽可能把它做好。
- 让程序能够互相协同工作。
- 应该让程序处理文本数据流，因为这是一个通用的接口。
参考：Unix哲学
简洁至上
这也就是著名的KISS（Keep It Simple, Stupid）原则，在Unix中，尽可能让一个代码模块只做一件事情，把这件事情做好，然后把一个个小功能组合起来实现大功能。
关于这一点，阮一峰大佬的笔记如下：
1. 清晰原则。
代码要写得尽量清晰，避免晦涩难懂。清晰的代码不容易崩溃，而且容易理解和维护。重视注释。不为了性能的一丁点提升，而大幅增加技术的复杂性，因为复杂的技术会使得日后的阅读和维护更加艰难。
2. 模块原则。
每个程序只做一件事，不要试图在单个程序中完成多个任务。在程序的内部，面向用户的界面（前端）应该与运算机制（后端）分离，因为前端的变化往往快于后端。
3. 组合原则。
不同的程序之间通过接口相连。接口之间用文本格式进行通信，因为文本格式是最容易处理、最通用的格式。这就意味着尽量不要使用二进制数据进行通信，不要把二进制内容作为输出和输入。
4. 优化原则。
在功能实现之前，不要考虑对它优化。最重要的是让一切先能够运行，其次才是效率。”先求运行，再求正确，最后求快。”（Make it run, then make it right, then make it fast.）90%的功能现在能实现，比100%的功能永远实现不了强。先做出原型，然后找出哪些功能不必实现，那些不用写的代码显然无需优化。目前，最强大的优化工具恐怕是Delete键。
参考：https://www.ruanyifeng.com/blog/2009/06/unix_philosophy.html
提供机制而非策略
如何理解机制（mechanism）和策略（policy）呢？
就像前面说到的“积木式方法”，我们拼乐高，乐高积木的凸起和凹槽就是机制，我们如何拼便是策略。
我的理解：机制是接口能力、是框架，策略是业务实体。前者是不变的，或者变化较少的；后者是善变的，根据不同场景可以进行调整的。
这样的方式更灵活，也更强大。
下面是我对这个特性的一些理解。
让程序处理文本数据流
道格拉斯·麦克罗伊归纳的Unix哲学之一，绝大数Unix程序都会把标准输入stdin作为自己的输入，然后把需要输出的信息打印到标准输出stdout。这样利用管道机制，就可以让数据在命令间串行流动起来。
我们再把现在的那些流式编程思想和Unix比较，是不是有些类似？用管道连接的每一个命令，其实都是这个文本输入流的过滤器。
这个思想也引入了另一个Unix理念：“沉默是金”。
其含义也很简单，如果没有必要，就别输出乱七八糟的信息，以免影响下一个命令的处理流程。
设备驱动框架
我们日常使用的手机，包含了各式各样的外设：触摸屏、按键、摄像头、扬声器等等，都是基于Linux设备驱动框架进行实现的。
Linux内核本身提供了Device - Bus - Driver设备驱动框架（机制），各个厂商才可以实现各种各样外设驱动（策略）供用户使用。
SELinux强制访问控制
Linux内核提供了LSM（Linux Secrity Module）安全机制，才有了后来NSA（美国国家安全局）实现的SELinux（Security-Enhanced Linux）模块。
当然后者其实也是一种机制，各个系统厂商可以配置自己的策略文件sepolicy去实现不同的强制访问控制——任何未经明确允许的行为都会被拒绝。我们现在使用的Android手机，在4.4版本之后已经默认集成并开启了这项功能。
一切皆文件
在Unix系统中一切皆文件。我们平时接触到的文件和目录都是文件，各种外设（鼠标、屏幕）在Unix系统中也是一个个设备节点文件，我们网络编程访问网络使用的套接字（Socket）在Unix系统中也是一个文件，系统中正在运行的进程也有文件与之对应。
这些文件都可以简单的利用Linux提供的文件操作接口（File Operations），使用fopen、fclose、fwrite、fread等方法进行访问操作。
举个例子，在有权限的情况，你可以通过向对应的屏幕设备节点写入1或者0，进行屏幕亮灭的控制。
文件系统树状结构
单一根文件的树状存储
在Unix 操作系统中，所有的文件和目录都被组织成以一个根节点开始的倒置的树状结构。
文件系统的最顶层是由根目录开始的，系统使用 / 来表示根目录。在根目录之下的既可以是目录，也可以是文件，而每一个目录中又可以包含子目录文件。如此反复，构成一个庞大的文件系统。
举个例子：
一个Android系统中常见路径：/storage/emulated/0/Download/，通常以/结尾会被认为是一个目录的路径。
第一个/被认为是根目录，根路径是树状结构的起始，可以当做是0，所以/文件分隔符前没有任何字符，之后的storage/和emulated/、0/、Download/都代表一级子目录。
特殊目录与隐藏文件
在Unix文件系统中有两个特殊的目录：
- 当前目录：通常用一个
.表示，表示用户所在的工作目录（working directory） - 父目录：通常用两个点
..来表示，就是当前目录的上一级目录。
这两个目录在每一个目录下都会以链接的形式存在，使用ls -a的时候就可以看到。
同样，用这个命令我们还可以看到一些以.开头的文件或者目录，比如用户home目录下经常遇到的~/.bashrc文件或者~/.ssh/目录，这些都是隐藏文件/目录——在默认方式访问时，文件管理器和shell程序并不会显示这些文件/目录。
各目录功能
以下是对Linux系统根目录一些子目录的解释：
/bin
Binaries （二进制文件） 的缩写，存放着各种基础命令的二进制可执行文件。
/bin目录中通常存放的是系统管理员和用户都能使用的命令，这些命令可以在系统修复、启动时使用，不需要依赖文件系统。
/boot
启动 Linux 时使用的一些核心文件，包括一些连接文件以及镜像文件。
/dev
Device（设备） 的缩写，该目录下存放的是 Linux 的外部设备节点文件，利用文件操作接口即可方便的控制外设。
/etc
“等等”的缩写，该目录下存放的一些系统程序所需要的配置文件。
/home
Unix是一个多用户系统，每个用户都有一个自己的目录，一般该目录名是以用户的账号命名的，
Linux系统用户的主目录通常在这个目录下对应用户名的子目录中，如上图中的 alice、bob 和 eve。
用户拥有其用户主目录下文件的所有访问操作权限，通常在命令行会使用~代替/home/<username>。
注：MacOS系统的用户目录通常在/Users/<username>。
/lib
Library（库）的缩写，该目录存放着系统动态链接库（so），类似于Windows里的 DLL 文件。
注：MacOS的Library目录和Linux的区别较大，主要是一些系统程序。
/lost+found
该目录一般情况下是空的，可以理解为回收站，当系统异常关机后，这里就存放了一些文件。
/kernel
该目录存放系统的内核文件。
/media
系统自动挂载的设备所在目录，Linux系统会自动识别一些设备，例如U盘、mp3、光驱等等，系统识别后，Linux设备驱动框架会把识别的设备挂载到media目录下。
注：MacOS系统对应目录为/Volumns。
/mnt
mount（挂载）的缩写，通常是为了用户临时手动挂载一些设备所使用。比如一些默认无法识别的文件系统，可以通过手动挂载的方式进行访问。
注：MacOS系统对应目录为/Volumns。
/opt
optional（可选） 的缩写，一些应用软件会安装到此目录，通常是用户级的。比如你自己下载了一个软件，可以选择安装到此目录，它所有的数据、库文件等等都是放在同个目录下面。
安装到此目录的应用，通常隐含着一个意思，就是我随时可以把这个目录rm -rf强制删除，当个渣男说拜拜。
/proc
Processes（进程） 的缩写，此目录下存放的并不是真实存在的文件或者外设，而是一套虚拟文件系统，存储的是当前内核运行状态的一系列特殊文件，它是系统内存的映射，系统内存中运行的每一个进程都会在此目录存在对应的文件，我们可以通过一些指令，获取指定进程的状态，也可以改变进程的状态。
比如Android native开发时会通过一些系统命令获取当前的进程信息，监控当前进程所打开/持有的inode数目，便是通过/proc/self/下的信息进行获得。
比如可以通过下面的命令来屏蔽主机的ping命令，使别人无法ping你的机器：
1 | |
注：MacOS无此目录。
扩展阅读：Linux下/proc目录简介
/root
系统管理员（超级用户）的用户主目录，普通用户的主目录在/home/<username>。
我对root账户的理解就是可以操作/根（root）目录的用户。
/sbin
s就是Super User（超级用户）的意思，超级用户的二进制文件，这里存放的是一些需要超级用户权限才能使用的“高级”命令。
/selinux
前面我提到过，一套强制访问控制（MAC）机制对应的存储目录。
/srv
通常和服务器有关，个人电脑没怎么见过，该目录存放一些服务启动之后需要的数据。
是用户主动生产的数据、对外提供服务所使用的文件。
/sys
也是内核设备框架sysfs文件系统使用的目录，类似于/proc目录，只不过这个目录映射的是系统内核的设备树，用户态程序可以通过sysfs获取当前系统外设的一些信息，并使用驱动暴露的一些文件接口操纵外设。
/tmp
temporary（临时）的缩写，用来存放一些临时文件的、缓存文件的目录，比如浏览器下载过程中会先在此目录进行缓冲。
保存一些使用完毕后可随时销毁的缓存文件。（有可能是由系统或程序产生、也有可能是用户主动放入的临时数据、系统会自动清理）
/usr
虽然 /usr 目录发音是 user ，但实际它是 Unix System Resources 的缩写，意思是 Unix 系统资源 。用户的很多应用程序、运行库、文档、配置都存在都这个目录下，有点类似于Windows下的program files目录。这个目录中的文件都是只读的。
/usr/bin：包含对所有用户都能使用的非基础命令，是系统中大部分命令的存储目录。（注：与
/bin目录区别。）/usr/include：C语言头文件所在目录（Unix是用C语言写的）。
/usr/lib：包含着所有
/usr/bin和/usr/sbin目录中可执行命令程序需调用的库文件。/usr/share：通常包含着命令的一些数据文件、配置、文档等。
/usr/local：通常通过源码编译安装的软件会安装到此目录，Unix程序员约定俗成的目录。
/usr/src：内核源代码所在目录（你用Unix系统很容易就可以接触到源码）。
/var
variable（变量）的缩写，通常习惯将那些易变的、易失的文件放在这个目录下，很多程序的日志文件保存在此目录。
比如你在本机搭建了一个Apache或者nginx服务器，通常网站数据也被保存在这个目录。
系统产生的不可自动销毁的缓存文件、日志记录。（系统和程序运行后产生的数据、不对外提供服务、只能用户手动清理）（包括mail、数据库文件、日志文件）
/run
是一个临时文件系统，存储的是系统启动、运行需要的文件，系统重启时，该目录下文件会被抛弃重新生成。通常/var/run目录，会链接到 /run目录。
参考：Linux 系统目录结构
为什么这么设计？
可能上面的那些目录，大多数看了也头晕，为什么/usr目录下很多内容和/目录里的是相同的？
历史原因和发展原因。
以下摘自阮一峰大佬博客Unix目录结构的来历：
话说1969年，Ken Thompson和Dennis Ritchie在小型机PDP-7上发明了Unix。1971年，他们将主机升级到了PDP-11。
当时，他们使用一种叫做RK05的储存盘，一盘的容量大约是1.5MB。
没过多久，操作系统（根目录）变得越来越大，一块盘已经装不下了。于是，他们加上了第二盘RK05，并且规定第一块盘专门放系统程序，第二块盘专门放用户自己的程序，因此挂载的目录点取名为/usr。也就是说，根目录”/“挂载在第一块盘，”/usr”目录挂载在第二块盘。除此之外，两块盘的目录结构完全相同，第一块盘的目录（/bin, /sbin, /lib, /tmp…）都在/usr目录下重新出现一次。
后来，第二块盘也满了，他们只好又加了第三盘RK05，挂载的目录点取名为/home，并且规定/usr用于存放用户的程序，/home用于存放用户的数据。
从此，这种目录结构就延续了下来。
注：这部分原文来自Rob Landley的邮件
…
以上，未完待续。
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