1. 为什么学习Linux开发

本章主要从Linux的应用场景,程序员的技能学习,职业方向来 讨论为什么需要学习Linux开发并对如何学好Linux开发提出了一些建议。

1.1. Linux的应用场景

对于一般用户来说,因为经常接触PC、手机,可能会知道Windows、iOS、Andorid系统,但对Linux系统却知之甚少,这是因为 Linux的应用场景主要是服务器和嵌入式设备,在直面消费者的桌面系统领域并不占据优势。不过,从某种程度来说,Android系统也属于Linux的一种,毕竟它是基于Linux内核进行开发的,只是由于它规避了Linux的开源协议,不被Linux社区接纳。

Linux的应用场景主要是由其特点决定的,其特点主要有:开源、安全、稳定、网络功能强大、支持多种不同平台的处理器。

1.1.1. 服务器

服务器是指提供计算服务的设备,如网页服务器、文件 服务器、数据库服务器、邮件服务器、域名服务器和代理服务 器等。可以说我们在互联网上的所有操作,背后都是在跟服务 器打交道。例如我们访问网页、网上购物、微信聊天、运行网络 游戏、观看在线视频等一切需要联网才能正常进行的应用,其背 后都由服务器作为支撑。

服务器的实体各种各样,小到单板电脑,大至计算机集群,实际上你 正在使用的个人电脑,安装上对应的服务软件,通过网络给其它计算机提 供资源,它也就变身成了一个服务器。服务器的本质也是计算机,只是通 常来说它们没有显示器,不需要鼠标键盘。

在商业应用中,在服务器运行的操作系统主要有Linux、Windows和UNIX,其中 由于Linux系统开源、使用成本低而且安全稳定,所以Linux在服务器使用的系统中占据了绝大多数。

感兴趣的读者可以访问Netcraft 网站 http://www.netcraft.com,可以查询 到其它网站是运行在什么操作系统上的,具体见下图。

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可以查询到绝大部分知名网站都运行在Linux系统之上,包括微 软官网:www.microsoft.com。而国内的一些银行官网则通常使用Windows Server系统。

特别地,超级计算机也是特殊的服务器,目前全球TOP500的计算机运行的操作系统都是Linux。

1.1.2. 嵌入式设备

嵌入式设备是Linux系统的另一个主战场,这也是本书主 要讲解的Linux应用方向。嵌入式设备的定义比较模糊,不过基本上把PC、集群 服务器、超级计算机排除后,具有处理器(包括微控制器等)的,按设定程序运行 的电子设备大都可以归类为嵌入式设备。

嵌入式设备种类非常丰富,包括日常生活中的手机、智能手表、各 种家电、玩具、路由器、车载电子系统,工业应用中包括电力系统监控、环境 监测、工业机器人、智能快递柜、手持POS机、地铁闸机系统、停车场管理、卫星、月球车等。

从嵌入式设备的种类就可以知道它们的应用场景是碎片化的,它们内 部的电子系统一般会针对设备的功能做专用的控制。部分嵌入式设备不使用 操作系统;部分使用freeRTOS等实时操作系统;而另一些高性能的嵌入式设备 使用Linux系统。使用Linux系统的的嵌入式设备,往往是看中Linux系统的如下特性:

  • 嵌入式设备使用的处理器多种多样,而Linux系统支持运行在x86、ARM、PowerPC、MIPS等不同平台的处理器上。
  • 由于代码开源,可裁剪,非常适合针对特定场景进行定制,裁剪后的Linux内核加上文件系统可以做到50MB以内,这能够节省硬件资源和成本。
  • 对各种编程语言、类库、编程框架支持良好,如python、java、C++等编程语言,Opencv、TensorFlow等类库和框架,使用freeRTOS等实时操作系统往往很难做到直接支持。
  • 应用程序丰富,如音乐播放器、数据库等现成的应用可以直接使用。
  • 网络功能强大,使得编写需要联网的应用程序非常方便。

1.2. Linux职业方向

根据Linux的应用场景,社会对Linux技术人员主要分为服务器运维、应用软件开发及设备驱动开发方向。

1.2.1. 服务器运维

服务器运维工程师主要是负责搭建起运行环境,让服务器应用程序更高效、稳定、安全地运行在服务器上。如安装操作系统、部署代码运行环境、修复漏洞、监控服务器压力、分析日志等。

1.2.2. 应用软件开发

Linux应用软件开发就是开发基于Linux系统的应用程序。具体而言,应用程序也分服务器、桌面和嵌入式方向,服务器方向如网站后台、数据库系统等。服务器方向的应用程序开发通常跟操作系统的关系并不是很大;桌面开发就如同开发Windows系统下的QQ、WPS、串口调试助手等应用程序;嵌入式方向的软件方向主 要是针对设备应用场景做针对性的开发,如扫地机器人、路由器的控制程序等。

1.2.3. 设备驱动开发

设备驱动,它的本质也是软件程序,不过它介于硬件与操作系统之间的层级,是硬件和操作系统之间的桥梁,具体见下图。

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对于不使用操作系统或使用小型实时操作系统(如freeRTOS)的设备来说,与硬件相关的驱动 程序与应用程序往往混合在一起,因此常常不会对驱动与应用进行严格的区分,这也导 致更换硬件平台时,应用程序移植困难。

使用了Linux系统的设备,硬件会由操作系统接管。Linux系统的一个重要设计哲 学是一切皆文件。包括硬件设备,对于系统来说也是一个文件,所以系统向上层应用程 序提供open、write、read、close等统一的文件操作接口,应用程序可以利用这些接口对 设备文件进行访问,从而实现对硬件设备的初始化、写 入、读取以及关闭等操作。

当系统接收到应用程序的这些访问请求时,它会向下查询对应设备具体的操作函数,然后调 用相应的函数处理请求,而这些针对不同设备具体的操作函数就是设备驱动程序。因此,设备驱 动就是这样一种把硬件与操作系统连接在一起的程序,Linux系统会提供统一的格式,设备驱动开 发工程师根据具体的设备按照系统格式要求实现相应 的设备操作函数。

本书主要针对嵌入式设备驱动开发的讲解,对于志在应用软件开发的工程师,也可通过本书的 内容掌握Linux底层的相关知识,这对应用开发也是大有裨益。

1.3. 程序员的宝库

Linux可谓是公开的宝库,它是开源世界的代表作,它的内核源代码是完全公开的,只要你 愿意沉浸其中,必定收获丰富。通过学习Linux开发,会熟悉命令行的使用;可以了解到操作 系统原理;学习常用数据结构,如链表、红黑树、哈希表等;了解开源社区的文化,学习各自优 秀的代码实现,如常用的C语言库libc等;熟悉 各种常用开发工具,如Git版本管理系统、GCC编译器。

并不是说从事传统MCU开发或Windows开发时不能学习到这些,只是这些内容往往被包装起 来,要么直接无法追根溯源,要么隐藏起来了。但在进行Linux开发时,相关的内容是直 接暴露给用户的,只要钻得够深,永远有惊喜等待着我们。例如,使用Keil或IAR开发时, 我们不知道调用C语言库的printf函数后, 具体究竟执行了什么;点击编译按钮时,集成的工具又为我们处理了一些什么内容,这些我们都很难了解到。

对于长期从事MCU开发的程序员来说,学习Linux开发会让人感叹,原来代码的世界一直在这里等着我!

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