嵌入式 - Linux软件编程
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一、Linux 系统概述
1.1 操作系统的核心使命
1.2 从 Unix 到 Linux 的演化
1.3 Linux 的应用场景
二、Linux 系统核心：内核与 Shell
2.1 常见的 Linux 发行版
2.2 内核：Linux 的 "大脑"
2.3 Shell：用户与内核的 "翻译官"
三、Shell 命令
3.1 基本文件 / 目录操作命令
3.2 文件内容查看命令
3.3 通配符：批量操作的 "利器"
3.4 管道与重定向：命令协作的 "纽带"
3.5 文件查找命令
3.6 其他常用命令
3.7 压缩与解压命令
3.8 用户与权限管理命令
四、Shell 脚本编程：自动化任务的 "引擎"
4.1 编程语言分类：编译型 vs 解释型
4.2 Shell 脚本编写步骤
4.3 输入与输出
4.4 引号的用法
4.5 变量：数据存储的 "容器"
4.6 分支结构：根据条件执行不同逻辑
4.7 循环结构：重复执行命令
4.8 数组与函数
4.9 实战练习
在当今的软件开发与服务器运维领域，Linux 系统占据着不可替代的地位。从大型服务器集群到嵌入式设备，从云计算平台到移动操作系统（如 Android 基于 Linux 内核），Linux 的身影无处不在。其开源、稳定、高效的特性，使其成为技术从业者必须掌握的技能之一。本文将从 Linux 系统基础讲起，逐步深入到 Shell 命令与脚本编程，帮助你快速入门 Linux 软件编程世界。
一、Linux 系统概述
1.1 操作系统的核心使命
操作系统的本质是 "硬件与应用程序的桥梁"—— 它屏蔽了底层不同硬件平台的差异，为上层应用提供统一的接口，让开发者无需关注硬件细节即可编写程序。这种抽象能力，是现代计算机系统高效运行的基础。
1.2 从 Unix 到 Linux 的演化
世界上第一款操作系统是 Unix，诞生于 20 世纪 60 年代的贝尔实验室。而 Linux 则是对 Unix 的 "致敬与超越"——1991 年，芬兰大学生林纳斯・托瓦兹（Linus Torvalds）为了打造一个 "自由的类 Unix 系统"，重写了 Unix 内核，由此诞生了 Linux。
与 Unix 不同，Linux 的发展紧密依托开源社区。其中，GNU 项目（GNU's Not Unix）功不可没 —— 它是一个旨在开发自由软件的运动，其遵循的 GPL 协议（通用公共许可证）确保了软件的开源性：任何人可以自由使用、修改和分发，但衍生作品必须保持开源。如今，Linux 内核与 GNU 组件（如 gcc 编译器、bash shell 等）共同构成了我们日常使用的 Linux 系统，因此也常被称为 "GNU/Linux"。
1.3 Linux 的应用场景
Linux 的灵活性使其能适应多种场景：
- 服务器领域：全球超 80% 的服务器采用 Linux 系统（如阿里云、AWS 等云计算平台），因其稳定性和安全性远超其他系统；
- 嵌入式设备：智能手表、路由器、车载系统等多采用 Linux 内核，轻量化版本（如 Buildroot）可满足资源受限需求；
- 开发环境：程序员常用的 Ubuntu、CentOS 等发行版，提供了丰富的开发工具链，支持 C/C++、Python 等主流语言。
二、Linux 系统核心：内核与 Shell
2.1 常见的 Linux 发行版
Linux 本身指的是内核，而我们日常使用的 "Linux 系统" 是 "内核 + 应用程序" 的发行版（Distribution）。常见的有：
- Ubuntu：桌面用户友好，社区活跃，适合初学者；
- Debian：以稳定性著称，是许多发行版的基础（如 Ubuntu）；
- Redhat/CentOS：企业级首选，支持长期维护，适合服务器；
- Fedora：前沿技术尝鲜，更新快，适合开发者。
2.2 内核：Linux 的 "大脑"
内核是操作系统的核心，负责管理硬件资源和提供基础功能，主要包括：
- 内存管理：分配 / 回收进程内存，防止内存泄漏；
- 多任务管理：通过进程调度实现多程序并发（如 CPU 时间片分配）；
- 文件系统管理：支持 ext4、btrfs 等格式，管理文件的创建 / 删除 / 读写；
- 多任务通信：提供管道、信号、共享内存等机制，实现进程间协作；
- 网络管理：支持 TCP/IP 协议栈，处理网络数据包；
- 硬件设备管理：通过驱动程序与硬盘、网卡等硬件交互。
2.3 Shell：用户与内核的 "翻译官"
Shell 是包裹在内核外层的命令解释器，其核心作用有两点：
- 保护内核：防止用户直接操作内核导致异常（如误删系统文件）；
- 命令翻译：将用户输入的命令转换为内核能理解的代码，再将执行结果返回给用户。
常见的 Shell 有 bash（Bourne Again SHell，大多数 Linux 默认）、zsh（功能更丰富，支持插件）、ksh 等。用户通过 Shell 与系统交互的流程为：用户输入命令→Shell 解析→内核执行→Shell 返回结果。
三、Shell 命令
Shell 命令是操作 Linux 的基础，掌握常用命令能极大提升效率。以下按功能分类整理：
3.1 基本文件 / 目录操作命令
| 命令 | 功能 | 示例 |
|---|---|---|
| ls | 查看目录下文件 / 文件夹 | ls -l（显示详细信息）、ls -a（显示隐藏文件） |
| cd | 切换目录 | cd /home（进入 /home 目录）、cd ~（回到家目录） |
| touch | 创建空文件 | touch test.txt（创建 test.txt） |
| rm | 删除文件 | rm test.txt（删除文件）、rm -f test.txt（强制删除，不提示） |
| mkdir | 创建文件夹 | mkdir demo（创建 demo 文件夹）、mkdir -p a/b/c（递归创建多级目录） |
| rmdir | 删除空文件夹 | rmdir demo（删除空的 demo 文件夹，非空需用rm -r） |
| cp | 拷贝文件 / 目录 | cp src.txt dest.txt（拷贝文件）、cp -r src_dir dest_dir（拷贝目录） |
| mv | 移动 / 重命名 | mv file.txt dir/（移动文件到 dir）、mv old.txt new.txt（重命名） |
3.2 文件内容查看命令
- cat：查看文件全部内容，适合小文件。
cat 文件名
- 示例：
cat README.md（直接显示内容）、cat -n test.txt（显示行号）； - head：查看文件开头内容，默认前 10 行。
head -n 行数 文件名
- 示例：
head -n 5 log.txt（查看前 5 行）； - tail：查看文件末尾内容，默认后 10 行，常用于跟踪日志。
tail -n 行数 文件名
- 示例：
tail -n 20 access.log（查看后 20 行）、tail -f log.txt（实时刷新最新内容）。
3.3 通配符：批量操作的 "利器"
通配符用于匹配多个文件，常与 ls、rm 等命令搭配：
*：匹配任意长度、任意字符。- 示例：
ls *.sh（列出所有.sh 脚本）；
- 示例：
?：匹配 1 个任意字符。- 示例：
ls file_??.txt（匹配 file_后接 2 个字符的 txt 文件，如 file_ab.txt）；
- 示例：
[]：匹配 1 个指定字符。- 示例：
ls file_[1-5].txt（匹配 1-5 数字，如 file_3.txt） ls file_[^3].txt（排除 3，如 file_1.txt、file_2.txt）ls file_[1,3,5].txt（指定 1、3、5，如 file_5.txt）。
- 示例：
3.4 管道与重定向：命令协作的 "纽带"
- 管道（|）：将前一个命令的输出作为后一个命令的输入。
- 示例：
ls /usr/bin | grep "python"（在 /usr/bin 下查找含 python 的文件）ps aux | grep "nginx"（查看 nginx 进程）；
- 示例：
- 重定向：将输出内容定向到文件（默认输出到终端）：
- 覆盖重定向（>）：清空原文件内容，写入新内容。示例：
echo "hello" > test.txt（test.txt 内容变为 hello）； - 追加重定向（>>）：在原文件末尾添加内容。示例：
echo "world" >> test.txt（test.txt 变为 hello\nworld）。
- 覆盖重定向（>）：清空原文件内容，写入新内容。示例：
3.5 文件查找命令
- find：在指定目录下查找文件，功能强大。
- 示例：
find . -name "*.c"（当前目录查找所有.c 文件） find /home -type f -mtime -7（/home 下查找 7 天内修改的普通文件）find . -type f -print0 | xargs -0 grep -l "printf(字符串）"（查找含 printf 的文件）；
- 示例：
- whereis：查找二进制程序（命令）的位置。
- 示例：
whereis gcc（显示 gcc 的安装路径）。
- 示例：
3.6 其他常用命令
- echo：在终端输出内容，常用于打印变量。
- 示例：
echo "Hello Linux"、echo $PATH（打印环境变量 PATH）；
- 示例：
- grep：查找文件中含指定字符串的行，支持正则。
- 示例：
grep "error" log.txt（查找 error 行）、grep -i "Warning" test.txt（忽略大小写）。
- 示例：
3.7 压缩与解压命令
Linux 中常见压缩格式为.tar.gz（兼顾速度与压缩率）和.tar.bz2（压缩率更高）：
- .tar.gz：
- 压缩：
tar -zcvf docs.tar.gz ./documents（将 documents 目录压缩为 docs.tar.gz）； - 解压：
tar -zxvf docs.tar.gz（解压到当前目录）；
- 压缩：
- .tar.bz2：
- 压缩：
tar -jcvf data.tar.bz2 ./data； - 解压：
tar -jxvf data.tar.bz2。
- 压缩：
3.8 用户与权限管理命令
Linux 是多用户系统，权限管理是安全的核心：
- 用户管理：
useradd：创建用户- 示例：
sudo useradd -m tom（-m 自动创建家目录）；
- 示例：
userdel：删除用户- 示例：
sudo userdel -r tom（-r 删除家目录）；
- 示例：
passwd：修改密码- 示例：
sudo passwd tom（为 tom 设置密码）；
- 示例：
su：切换用户- 示例：
su root（切换到 root，exit退出当前用户）；
- 示例：
- 权限管理：
chmod：修改文件权限，权限用 3 组 rwx（读写执行）表示，对应数字为 r=4、w=2、x=1。示例：chmod 755 script.sh（所有者 rwx，同组 r-x，其他人 r-x）；
chmod 权限值 文件名
0664
110 110 100
rw- rw- r--
rwx:创建该文件的用户对文件是否拥有读写执行权限
rwx:创建文件同组的用户对文件是否拥有读写执行权限
rwx:其余人是否拥有读写执行权限
chown：修改文件所属用户，示例：sudo chown tom file.txt（file.txt 归属 tom）；chgrp：修改文件所属组，示例：sudo chgrp devs file.txt（file.txt 归属 devs 组）。
四、Shell 脚本编程：自动化任务的 "引擎"
Shell 脚本是一系列 Shell 命令的集合，可实现任务自动化（如批量处理文件、定时任务等）。
4.1 编程语言分类：编译型 vs 解释型
- 编译型：先通过编译器将代码转换为机器码，再运行（如 C、C++、Java）。优点是执行效率高，适合计算密集型任务；缺点是开发效率低，需重新编译才能生效；
- 解释型：边解释边执行，无需编译（如 Shell、Python）。优点是开发效率高，适合系统管理；缺点是执行效率较低。
4.2 Shell 脚本编写步骤
- 编写脚本文件：用 vim 创建.sh 文件，首行指定解释器（
#!/bin/bash表示用 bash 执行）； 示例：vim hello.sh，内容：#!/bin/bash echo "Hello Shell!" - 添加执行权限：用
chmod +x hello.sh赋予可执行权限； - 运行脚本：
./hello.sh（当前目录执行）或bash hello.sh（指定解释器）。
4.3 输入与输出
- 输入（read）：从终端获取用户输入并赋值给变量。示例：
- #从终端接收用户输入放入filename变量中
- read filename
-
read -p "请输入文件名：" filename # -p显示提示信息 echo "你输入的文件是：$filename" - 输出（echo）：打印变量或字符串。示例：
echo "当前目录：$PWD"（$PWD 是环境变量，表示当前路径）。 - #将变量filename中的内容打印在屏幕上
- echo $filename
4.4 引号的用法
Shell 中引号功能不同，需注意区分：
- 单引号（'）：原样输出内容，不解析变量。
- 示例：
echo '$filename'（输出 $filename）； - 双引号（"）：解析变量后输出。
- 示例：
echo "$filename"（输出变量值）； - ** 倒引号（`)
**：执行引号中的命令，返回结果。 示例：echo `seq 10`
4.5 变量：数据存储的 "容器"
- 环境变量：Shell 自带的变量，如
$HOME（家目录）、$PATH（命令搜索路径）、$PWD（当前目录）； - 位置变量：执行脚本时传入的参数，
$0为脚本名，$1-$n为参数，$#为参数个数，$?为上一条命令的返回值（0 表示成功）；
$0 :脚本的名称
$1 :执行脚本时传入的参数1
$2 :执行脚本时传入的参数2
$# :传入参数的个数
$? :上一条shell语句的执行结果
$$ :脚本运行的进程编号
-
count=10; echo $count（输出 10）。
4.6 分支结构：根据条件执行不同逻辑
- if 分支：基本结构：
条件可用 test 命令或if [ 条件 ]; then# 条件为真时执行 else# 条件为假时执行 fi[]（注意空格），常用判断符：-gt（大于）、-lt（小于）、-eq（等于）、-e 文件（文件存在）等；
-gt #大于
-lt #小于
-ge #大于等于
-le #小于等于
-eq #等于
-ne #不等于
-b #检测文件是否存在，并判断是否为块设备
-c #检测文件是否存在，并判断是否为字符设备
-d #检测文件是否存在，并判断是否为目录文件
-e #检测文件是否存在
-f #检测文件是否存在，并判断是否为普通文件
-L #检测文件是否存在，并判断是否为链接文件
-p #检测文件是否存在，并判断是否为管道文件
-S #检测文件是否存在，并判断是否为套接字文件
- case 分支：多条件匹配，适合枚举场景：
case $num in1) echo "选择1" ;;2) echo "选择2" ;;*) echo "其他" ;; # 默认分支 esac
4.7 循环结构：重复执行命令
- while 循环：条件为真时重复执行：
i=1 while [ $i -le 5 ]; doecho $ii=$((i+1)) # 变量自增 done - until 循环：条件为假时重复执行（与 while 相反）；
- for 循环：遍历数据集：
# 遍历列表 for fruit in apple banana orange; doecho $fruit done# 数字范围 for ((i=1; i<=3; i++)); doecho $i done
4.8 数组与函数
- 数组：存储多个元素，示例：
array=("a" "b" "c") echo ${array[0]} # 输出a（下标从0开始） echo ${array[*]} # 输出所有元素：a b c echo ${#array[@]} # 输出长度：3 - 函数：封装可复用的代码块，示例：
add() {sum=$(( $1 + $2 )) # $1、$2为参数echo $sumreturn $sum # 返回值（0-255） }add 3 5 # 调用函数，输出8
4.9 实战练习
需求：在 stdio.h 的后 200 行中查找含 "extern" 的内容，写入 record.txt。
命令：tail -n 200 stdio.h | grep "extern" > record.txt
解析：tail -n 200取后 200 行，管道传给grep "extern"筛选行，>重定向到 record.txt。
