第一章 UNIX 基礎知識

時間 2019-11-13

標籤第一章 unix 基礎知識欄目 Unix 简体版

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1.1 Unix體系結構shell

OS定義爲一種軟件，它控制計算機硬件資源，提供程序運行環境，通常稱其爲內核（kernel），它體積小，位於環境中心。多線程

內核的接口爲系統調用（system call），共用函數庫構建在系統調用上，應用軟件既可使用公用函數庫，也可使用系統調用。shell是一種特殊的應用程序，它爲運行其餘應用程序提供一個接口。函數

下圖爲 UNIX 體系結構：ui

廣義上，OS包括內核和一些軟件，例如 Linux 是 GNU 操做系統使用的內核，能夠稱這種操做系統爲 GNU/Linux，可是一般簡稱爲 Linux。因此 Linux 自己有雙重含義，內核和操做系統。加密

1.2 登錄spa

（1）登陸名操作系統

用戶登錄 UNIX 系統，鍵入登陸名，再鍵入口令。系統在其口令文件（一般是/etc/passwd文件）中查看登陸名。線程

我文件中的內容：設計

口令文件中的登錄項由7個以冒號分隔的字段組成，他們分別是：3d

登錄名、加密口令、數值用戶ID、數值組、註釋字段、起始目錄、shell程序

其中，全部OS已將加密口令移到另外一個文件中，第6章將說明這種文件以及訪問他們的函數。

（2）shell

用戶登錄後，用戶能夠向shell程序鍵入命令，某些系統會啓動一個視窗管理程序，但最終總會有一個shell程序運行在一個視窗中。

shell是一個命令解釋器，它讀取用戶輸入，而後執行命令。

用戶一般用終端（交互式shell），有時經過文件（shell腳本，shell script）向shell進行輸入。

下圖是常見的shell

Steve Bourne在貝爾實驗室開發的 Bourne shell。

Bourne-again shell 是GNU shell，全部Linux系統都提供這種shell，它被設計遵循 POSIX 的。

1.3 文件和目錄

（1）文件系統

UNIX文件系統是目錄和文件組成的一種層次結構，目錄的起點稱爲根（root），名字是 / 。

目錄（directory）是一個包含許多目錄項的文件。

在邏輯上，能夠認爲每一個目錄項都包含一個文件名，文件屬性信息（文件類型，文件大小...），stat 和 fstat 能夠返回文件屬性的一個信息結構。

目錄項的邏輯視圖與實際存放在磁盤上的方式是不一樣的。UNIX 文件系統的大多數實現並不在目錄項中存放屬性，這是由於當一個文件具備多個硬連接時，很難保持多個屬性副本之間的同步。到第4章討論硬連接時，這個問題將很好理解。

（2）文件名

目錄中各個名字稱爲文件名（filename）。

文件名中不能出現斜線（/）和空操做符（null）。由於謝賢用於分隔各文件名構成路徑名。空操做符用於終止一個路徑名。

建立新目錄時會自動建立兩個文件名：. 和 .. ，點指向當前目錄，點一點指向父目錄。在最高層次的根目錄中，點一點和點相同。

如今，全部的UNIX系統支持至少 255 各字符的文件名。

（3）路徑名

一個或多個斜線分隔的文件名序列構成路徑名（pathname），以斜線開頭的路徑稱爲絕對路徑（absolute pathname）,不然稱爲相對路徑（relative pathname）。相對路徑名引用相對於當前目錄的文件。

// 列出一個目錄中全部文件

#include "apue.h"
#include <dirent.h>

int main(int argc, char **argv)
{
   DIR *dp;
   struct dirent *dirp;
   
   if  (argc != 2) 
      err_quit("usage: ls directory_name");
   if  ((dp = opendir(argv[1])) == NULL)
      err_sys("Can't open %s", argv[1]);
   while ((dirp = readdir(dp)) != NULL)
      printf("%s\n", dirp->name);
   closedir(dp);
   exit(0);
}

由於各類不一樣 UNIX 系統目錄項的實際格式是不同的，因此使用函數 opendir, readdir, closedir對目錄進行處理。

opendir 函數返回指向 DIR 結構的指針，將這個指針傳給 readdir 函數，咱們不關心 DIR 結構中包含了什麼。而後，在循環中調用 readdir 來讀每一個目錄項。

readdir 函數返回一個指向 dirent 結構的指針，而當目錄中已無可讀的目錄項時則返回 null 指針。在dirent 結構中取出的是每一個目錄項的名字（d_name）。使用該名字，此後可調用 stat 函數以得到該文件的全部屬性。

當程序將結束，它以參數0調用函數 exit，exit終止程序，按慣例，參數0表示正常結束，參數1-255表示出錯。

struct dirent 結構以下：

（4）工做目錄

每一個進程都有一個工做目錄（working directory），有時稱爲當前工做目錄（current working directory）。全部相對路徑名都從工做目錄開始解釋。進程能夠用chdir函數更改其工做目錄。

（5）起始目錄

登錄時，工做目錄設置爲起始目錄（home directory），該起始目錄從口令文件中相應用戶的登錄項中取得。

1.4 輸入和輸出

（1）文件描述符

文件描述符（file descriptor）一般時一個小的非負整數，內核用它標識一個特定進程正在訪問的文件。當內核打開一個已有文件或建立一個新文件時，它返回一個文件描述符。在操做文件時，可使用。

（2）標準輸入、標準輸出和標準出錯

按慣例，每當運行一個新程序時，全部shell都爲其打開三個文件描述符：標準輸入（standard input）、標準輸出（standard output）以及標準出錯（standard error）。

若是項 ls 那樣沒有作什麼特殊處理，則這三個描述符都鏈向終端。

大多數 shell 都提供一種方法，使其中任何一個或全部這三個描述符都能重定向到某個文件，如：

ls > file.list

（3）不用緩衝的 I/O

函數 open、read、write、lseek以及close提供了不用緩衝的 I/O。這些函數都使用文件描述符。

//  將標準輸入複製到標準輸出

#include "apue.h"

#define BUFFSIZE 1

int main(void)
{
   int n;
   char buf[BUFFSIZE];
  
   while ((n = read(STDIN_FILENO, buf, BUFFSIZE)) > 0)
      if (write(STDOUT_FILENO, buf, n) != n)
         err_sys("write error");
   if (n < 0)
      err_sys("read error");
  
   exit(0);
}

因爲鍵入值的傳遞是 FIFO結構的，因此不管 BUFFSIZE 設置爲何值，程序都能正常執行，可是執行效率不一樣。

（2）標準 IO

標準 I/O 函數提供一種對不用緩衝 I/O 函數的帶緩衝接口。使用標準 I/O 函數無需擔憂如何選取最佳的緩衝區大小，例如上面程序中的 BUFFSIZE 常量的大小。

使用標準 I/O 函數的另外一個優勢是簡化了對輸入行的處理。例如，fgets函數讀一完整的行，而read函數讀指定字節數。

在5.4節中，咱們將瞭解到，標準 I/O 函數庫提供了使咱們可以控制該庫所使用的緩衝風格的函數。

// 用標準 I/O 將標準輸入複製到標準輸出

#include "apue.h"

int main()
{
   int c;
   
   while ((c = getc(stdin)) != EOF)
      if (putc(c, stdout) == EOF)
         err_sys("output error");
   if (ferror(stdin))
      err_sys("input_err");
   
   exit(0);
}

EOF是一個常量，在stdio.h 中定義，使用 ctrl + D鍵入。標準輸入/標準輸出 stdin 和 stdout 定義在 stdio.h 中，表示標準輸入和標準輸出文件。

1.5 程序和進程

（1）程序

程序（program）是存放在磁盤上、處於某個目錄中的一個可執行文件。使用6個exec函數中的一個由內核將程序讀入存儲器，並使其執行。

（2）進程和進程ID

程序的執行實例被稱爲進程（process）。某些操做系統用任務（task）表示正被執行的程序。

UNIX系統確保每一個進程都有一個惟一的數字標識符，稱爲進程ID（process ID）。進程ID老是一非負整數。

（3）進程控制

有三個用於進程控制的主要函數：fork、exec和waitpid。

//  從標準輸入讀命令並執行

#include "apue.h"
#include <sys/wait.h>

int main(void)
{
   char buf[MAXLINE];
   pid_t pid;
   int status;

   printf("%% "); 
   while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {
      if  (buf[strlen(buf) - 1] == '\n')
         buf[strlen(buf) - 1] = 0;  /* replace newline with null */

      if ((pid = fork()) < 0) {
         err_sys("fork error");
      } else if (pid == 0) {
         execlp(buf, buf, (char *)0);
         err_ret("couldn't execute: %s", buf);
         exit(127);
      }

      if  ((pid = waitpid(pid, &status, 0)) < 0)
         err_sys("waitpid error");
      printf("%% ");
   }

   exit(0);
}

fgets從標準輸入一次讀一行，當鍵入文件按結束字符EOF（使用 ctrl + D）做爲行的第一個字符時，fgets返回一個 null 指針，程序退出。

因爲 execlp 函數要求參數以 null 結尾，而不是換行符，因此須要進行替換。

（4）線程和線程ID

一般，一個進程只有一個控制線程（thread），同一時刻只執行一組機器指令，對於某些問題，若是不一樣部分各使用一個控制線程，那麼可簡化問題解決。另外，多個控制線程能充分利用多處理器系統的並行性。

同一個進程的線程共享同一地址空間，因此各線程在訪問共享數據時須要採起同步措施以免不一致性。

與進程相同，線程也用ID標識，可是線程ID只在它所屬的進程內起做用。

1.6 出錯處理

UNIX 函數出錯時，一般返回一個負值，或者 null，並且整形變量 errno 一般被設置爲函數有附加信息的一個值。

文件<errno.h>中定義了符號errno和能夠賦予它的各類常量。

errno 之前的定義是：

extern int errno;

可是在支持線程的環境中，多個線程共享進程地址，每一個線程都有屬於本身的局部errno以免一個線程干擾另外一個線程。例如 Linux支持多線程存取 errno，將其定義爲：

extern int * __errno_location(void);
#define errno (*__errno_location())

對於errno應當知道兩條規則。

第一：若是沒有出錯，則其值不會被一個例程清除。所以，僅當函數的返回值指明出錯時，才檢驗其值。

第二：任一函數都不會將errno值設置爲0，在<errno.h>中定義的全部常量都不爲0

C標準定義了兩個函數，它們幫助打印出錯信息。

#include <string.h>
char *strerror(int errnum);

#include <stdio.h>
void perror(const char *msg);

它首先輸出msg指向的字符串，而後一個冒號，一個空格，接着時errno值對應的出錯信息，最後是一個換行符。

// 示例strerror和perror

#include "apue.h"
#include <errno.h>

int main(int argc, char **argv)
{
   fprintf(stderr, "EACCES: %s\n", strerror(EACCES));
   errno = ENOENT;
   perror(argv[0]);
   exit(0);
}