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# 第02讲：Linux操作系统目录结构与文件操作
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> **本节目标**：理解Linux系统的起源与设计哲学，掌握目录组织方式和常用文件操作命令，为后续系统编程打下基础
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## 前置知识
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- [[01_系统运行机制]] -- 对操作系统的基本认识
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- 计算机基本操作能力
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## 一、UNIX/Linux系统简介
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### 1.1 UNIX的诞生
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1969年，贝尔实验室（Bell Labs）的 **Ken Thompson** 和 **Dennis Ritchie** 在一台废弃的PDP-7小型机上开发了UNIX操作系统。此后Ritchie还创造了C语言，并用C语言重写了UNIX，使UNIX成为第一个用高级语言编写的操作系统，极大地提高了可移植性。
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```mermaid
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graph LR
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A["1969 Ken Thompson
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Dennis Ritchie"] -->|在PDP-7上开发| B[UNIX初版]
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B -->|用C语言重写| C[UNIX V6/V7]
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C -->|研究方向| D[BSD UNIX]
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C -->|商业方向| E[System V]
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D --> F[FreeBSD / NetBSD]
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E --> G[AIX / Solaris / HP-UX]
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style A fill:#fff3e0
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style C fill:#e1f5fe
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```
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### 1.2 UNIX两大流派
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| 流派 | 代表 | 特点 |
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|------|------|------|
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| **BSD UNIX**（研究版） | BSD 4.x | 由加州大学伯克利分校维护，偏重学术研究 |
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| **System V**（商业版） | SVR4 | 由AT&T维护，偏重商业应用 |
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### 1.3 主要商业UNIX版本
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| 版本 | 厂商 | 典型硬件平台 |
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|------|------|-------------|
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| **AIX** | IBM | Power/PowerPC |
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| **Solaris** | Sun Microsystems | SPARC / x86 |
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| **HP-UX** | HP | PA-RISC / Itanium |
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| **IRIX** | SGI | MIPS |
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## 二、Linux系统
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### 2.1 Linux的诞生
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1991年，芬兰赫尔辛基大学的学生 **林纳斯·托瓦兹（Linus Torvalds）** 开发了Linux内核。最初这只是个人项目，但由于他将内核源码以GPL（GNU General Public License）协议发布，全球开发者得以自由修改和分发，Linux迅速成长为最重要的开源操作系统。
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### 2.2 内核版本号
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Linux内核版本号的格式为 **`r.x.y`**：
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- **r**（主版本号）：内核有重大变更时递增
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- **x**（次版本号）：偶数表示稳定版，奇数表示开发版
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- **y**（修订版本号）：bug修复和小改动
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常见内核版本线：2.4 -> 2.6 -> 3.2 -> 4.6.4 -> 5.x -> 6.x
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> **注意**：从3.0开始，主版本号不再有"奇偶"含义，版本号只是简单的递增计数器。
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### 2.3 Linux发行版
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内核本身只是操作系统的核心部分。**发行版（Distribution）** 将内核与各种工具、桌面环境、软件包管理器等打包在一起，形成完整的操作系统。
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```mermaid
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graph TB
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A[Linux内核] --> B[GNU工具集]
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B --> C[发行版]
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C --> D[RHEL]
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C --> E[Fedora]
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C --> F[Ubuntu]
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C --> G[CentOS]
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C --> H[中标麒麟]
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style A fill:#ffcdd2
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style C fill:#e1f5fe
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```
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| 发行版 | 特点 | 典型用途 |
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|--------|------|---------|
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| **RHEL**（Red Hat Enterprise Linux） | 商业支持，稳定 | 企业服务器 |
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| **Fedora** | 技术前沿，更新快 | 桌面 / 开发 |
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| **Ubuntu** | 用户友好，社区活跃 | 桌面 / 云服务器 |
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| **CentOS** | RHEL的免费克隆版 | 企业服务器 |
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| **中标麒麟** | 国产化，政府认证 | 国内政府 / 国防 |
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## 三、Linux目录结构
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### 3.1 核心概念：一切皆文件
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与Windows不同，Linux **没有盘符**（C:、D:等）的概念。整个文件系统从根目录 **`/`** 开始，形成一棵倒置的树。
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```mermaid
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graph TB
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ROOT["/ (根目录)"] --> BIN["/bin
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基本命令"]
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ROOT --> SBIN["/sbin
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系统管理命令"]
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ROOT --> ETC["/etc
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配置文件"]
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ROOT --> HOME["/home
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用户家目录"]
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ROOT --> VAR["/var
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可变数据"]
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ROOT --> USR["/usr
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用户程序"]
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ROOT --> TMP["/tmp
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临时文件"]
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ROOT --> DEV["/dev
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设备文件"]
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ROOT --> PROC["/proc
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进程信息"]
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ROOT --> BOOT["/boot
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内核与启动"]
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ROOT --> LIB["/lib
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共享库"]
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ROOT --> MNT["/mnt
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挂载点"]
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ROOT --> OPT["/opt
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第三方软件"]
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ROOT --> ROOT2["/root
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root用户家目录"]
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style ROOT fill:#ffcdd2
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style ETC fill:#fff3e0
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style HOME fill:#e8f5e9
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style PROC fill:#e1f5fe
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style DEV fill:#f3e5f5
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```
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### 3.2 重要目录详解
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| 目录 | 全称 | 作用 | 举例 |
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|------|------|------|------|
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| `/bin` | Binaries | 基本用户命令 | `ls`, `cp`, `cat` |
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| `/sbin` | System Binaries | 系统管理命令 | `fdisk`, `ifconfig` |
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| `/etc` | Editable Text Config | 系统配置文件 | `/etc/passwd`, `/etc/fstab` |
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| `/home` | Home | 普通用户家目录 | `/home/zhangsan` |
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| `/root` | Root Home | root用户的家目录 | -- |
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| `/var` | Variable | 可变数据（日志、缓存等） | `/var/log/messages` |
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| `/usr` | Unix System Resources | 用户程序和数据 | `/usr/bin`, `/usr/lib` |
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| `/tmp` | Temporary | 临时文件，重启后可能清除 | -- |
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| `/dev` | Device | 设备文件 | `/dev/sda`（硬盘） |
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| `/proc` | Process | 虚拟文件系统，内核运行信息 | `/proc/cpuinfo` |
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| `/boot` | Boot | 启动相关文件（内核镜像等） | `vmlinuz-xxx` |
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| `/lib` | Library | 共享库文件 | `libc.so.6` |
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| `/mnt` | Mount | 临时挂载点 | U盘、网络存储 |
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### 3.3 /proc文件系统
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`/proc` 是一个 **虚拟文件系统** -- 它不占用磁盘空间，而是内核在内存中动态生成的。通过读取 `/proc` 下的文件，可以实时查看系统和进程信息。
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```bash
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# 查看CPU信息
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cat /proc/cpuinfo
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# 查看内存信息
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cat /proc/meminfo
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# 查看当前进程信息（PID=1的进程）
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cat /proc/1/status
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```
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## 四、目录操作命令
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### 4.1 特殊目录符号
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| 符号 | 含义 | 示例 |
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|------|------|------|
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| `.` | 当前目录 | `./program`（运行当前目录下的程序） |
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| `..` | 上一级目录 | `cd ..`（回到上级目录） |
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| `~` | 当前用户的家目录 | `cd ~`（回到家目录） |
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| `-` | 上一次所在的目录 | `cd -`（在两个目录间来回切换） |
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### 4.2 常用目录操作命令
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```bash
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# pwd - 显示当前工作目录（Print Working Directory）
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pwd
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# 输出：/home/zhangsan
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# cd - 切换目录（Change Directory）
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cd /usr/local # 绝对路径切换
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cd .. # 回到上级目录
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cd ~ # 回到家目录（等同于 cd $HOME）
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cd - # 回到上一次的目录
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# mkdir - 创建目录（Make Directory）
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mkdir mydir # 创建单个目录
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mkdir -p project/src/main # 递归创建多级目录
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# rmdir - 删除空目录（Remove Directory）
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rmdir mydir # 只能删除空目录
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# rm - 删除文件或目录
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rm file.txt # 删除文件
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rm -r mydir # 递归删除目录及其内容
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rm -ri mydir # 递归删除，每个文件都询问确认
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```
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## 五、文件操作命令
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### 5.1 查看文件内容
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```bash
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# ls - 列出目录内容（List）
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ls # 列出当前目录下的文件
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ls -l # 长格式显示（含权限、大小、时间）
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ls -a # 显示隐藏文件（以 . 开头的文件）
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ls -lh # 长格式 + 人类可读的文件大小
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# cat - 连接并显示文件内容
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cat file.txt # 显示文件全部内容
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cat -n file.txt # 显示时带行号
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# more / less - 分页查看
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more file.txt # 空格翻页，q 退出
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less file.txt # 更强大的分页器，支持搜索
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```
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### 5.2 复制、移动和重命名
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```bash
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# cp - 复制文件或目录（Copy）
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cp file1.txt file2.txt # 复制文件
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cp -r dir1/ dir2/ # 递归复制目录
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cp -i file1.txt file2.txt # 覆盖前询问
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# mv - 移动/重命名（Move）
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mv file.txt /tmp/ # 移动文件到 /tmp
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mv oldname.txt newname.txt # 重命名
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```
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### 5.3 文件权限管理
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每个文件都有三组权限，分别针对三类用户：
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| 权限位 | 含义 | 对文件的效果 | 对目录的效果 |
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|--------|------|-------------|-------------|
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| **r**（读） | Read | 可以查看文件内容 | 可以列出目录内容 |
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| **w**（写） | Write | 可以修改文件内容 | 可以在目录中创建/删除文件 |
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| **x**（执行） | Execute | 可以运行文件 | 可以进入目录（`cd`） |
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三类用户：
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- **u**（user/所有者）：文件的拥有者
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- **g**（group/所属组）：与文件同组的用户
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- **o**（others/其他人）：其余所有用户
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```bash
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# chmod - 修改文件权限（Change Mode）
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chmod u+x program.sh # 给所有者添加执行权限
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chmod g-w file.txt # 去掉组的写权限
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chmod 755 program.sh # 数字表示法：rwxr-xr-x
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chmod 644 data.txt # 数字表示法：rw-r--r--
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# chown - 修改文件所有者（Change Owner）
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chown zhangsan file.txt # 修改所有者
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chown zhangsan:staff file.txt # 同时修改所有者和所属组
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chown -R zhangsan:staff mydir/ # 递归修改目录
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```
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**权限的数字表示法**：
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| 数字 | 二进制 | 权限 |
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|------|--------|------|
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| 7 | 111 | rwx |
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| 6 | 110 | rw- |
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| 5 | 101 | r-x |
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| 4 | 100 | r-- |
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| 0 | 000 | --- |
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因此 `chmod 755` 等价于 `rwxr-xr-x`：所有者可读可写可执行，组和其他人可读可执行。
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## 六、绝对路径与相对路径
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### 6.1 概念对比
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| 路径类型 | 起点 | 示例 | 特点 |
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|----------|------|------|------|
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| **绝对路径** | 根目录 `/` | `/home/zhangsan/file.txt` | 完整路径，从根开始，与当前位置无关 |
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| **相对路径** | 当前目录 | `./file.txt` 或 `../dir/file.txt` | 相对于当前位置，更短更灵活 |
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### 6.2 示例
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假设当前目录为 `/home/zhangsan/project`：
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```bash
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# 绝对路径方式
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cat /home/zhangsan/project/src/main.c
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# 相对路径方式（效果相同）
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cat ./src/main.c
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cat src/main.c
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# 使用 .. 回到上级
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cat ../README.md # 访问上级目录中的 README.md
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```
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```mermaid
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graph TB
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HOME["/home"] --> ZS["zhangsan"]
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ZS --> PROJ["project"]
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PROJ --> SRC["src"]
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SRC --> MAIN["main.c"]
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ZS --> README["README.md"]
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PROJ -.->|"cd .."| ZS
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PROJ -.->|"cd ./src"| SRC
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PROJ -.->|"cat ../README.md"| README
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style PROJ fill:#fff3e0
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style MAIN fill:#e8f5e9
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```
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## 七、知识关联
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- Linux的"一切皆文件"思想在 [[04_文件IO编程]] 中会深入学习
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- 文件权限在 [[04_文件IO编程]] 中用 `open()` 系统调用的 `mode` 参数体现
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- `/proc` 文件系统在 [[05_进程控制]] 中用于查看进程状态
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- 后续C语言编程需要在Linux环境下进行，参见 [[03_C语言编程基础]]
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## 八、思考题
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1. **为什么Linux没有盘符？** 这种设计有什么优势？
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2. **/proc 为什么是"虚拟"文件系统？** 它与 /home 这样的目录有什么本质区别？
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3. **`rm -rf /` 会发生什么？** 为什么root用户执行这个命令非常危险？
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4. **`chmod 755` 和 `chmod 644` 分别适用于什么场景？**（提示：可执行文件 vs 数据文件）
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## 九、扩展阅读
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||
- 《鸟哥的Linux私房菜》第5-6章：Linux文件权限与目录配置
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||
- 《UNIX环境高级编程》第1-2章：UNIX基础知识
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||
- Linux文件系统层次标准（FHS）：https://pathname.com/fhs/
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