UNIX 体系结构
从严格意义上说，可以将操作系统定义为一种软件，它控制计算机硬件资源，提供程序运行环境。我们将这种软件称为内核（kernel）。
内核接口被称为系统调用（system call）。公共函数库构建在系统调用接口之上，应用程序可以调用公共函数库，也可以调用系统函数。shell是一个特殊的应用程序，为运行其他应用程序提供了一个接口。
Linux是GUN操作系统使用的内核，所以Linux一般也被称之为GUN/Linux。
登录
1、登录名
用户在登录UNIX系统时，先输入登录名，再输入密码。系统在其口令文件中查看登录名，通常是/etc/passwd。
口令文件中的登录项由7个以冒号分隔的字段组成，一次为：登录名、加密口令、用户ID、所属组ID、注释字段，家目录以及shell程序。
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chen:x:1000:1000:chen,,,:/home/chen:/bin/bash |
目前所有的系统已将加密口令移动到另外一个文件中去了（/etc/shadow）。
2、shell
shell是一个命令行解释器， 他读取用户输入，然后执行命令。shell的用户输入通常来自于终端（交互式shell），有时来自于文件（shell脚本）。
| 名称 | 路径 |
|---|---|
| Bourne shell | /bin/sh |
| Bourne-agina shell | /bin/bash |
| C shell | /bin/csh |
| Korn shell | /bin/ksh |
| TENEX C shell | /bin/tcsh |
Bourne-agina shell是GUN shell， 所有Linux系统都提供这种shell。设计遵循POSIX标准。兼容Bourne shell， 并且支持C shell和Korn shell的特性。
POSIX 1003.2标准对shell进行了标准化。这项规范基于Bourne shell和Korn shell。
文件和目录
1、 文件系统
UNIX文件系统是目录和文件的一种层次结构，所有东西的起点是称为根（root）的目录，这个目录名称的服务是\。
目录是一个包含目录项的文件。在逻辑上，可以认为每个目录项都包含一个文件名，同时还包含说明该文件属性的信息。文件属性是指文件类型（普通文件还是目录等）、文件大小、文件所有者、文件权限以及文件最后修改时间等。stat和fstat函数返回包含所有文件属性的一个信息结构。
2、文件名
目录中的各个名字称之为文件名。只有\和空字符串者个字符不能出现在文件名中。\用来分隔构成路径的文件名，空字符串用来终止一个路径名。
POSIX.1推荐奖文件名限制在一下字符集内：a-z、A-Z、0-9、.、-和_。
创建目录时会自动创建.和..2个文件，分别指向当前目录和父目录。在最高层次中.和..相同。
3、 路径名
由斜线分隔的一个或多个文件名组成的序列构成路径名，以斜线开头的路径名称为据对路径名，反之为相对路径名。
示例：简单实现ls功能。
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#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->d_name); closedir(dp); exit(0); } |
注：
#include "apue.h"中的apue.h来自于官网http://www.apuebook.com/，更具自己书的版本下载相应的源码。然后进行make操作，就会出现apue.h文件。
编译时候报错，请参考：https://kaiiak.github.io/2016/01/28/%E7%BC%96%E8%AF%91apue-3e%E5%B9%B6%E8%A7%A3%E5%86%B3%E7%BC%96%E8%AF%91%E9%94%99%E8%AF%AF/
之后进行编译运行即可，如下。
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gcc ./my_ls.c ./a.out /dev |
4、 工作目录
每个进程都有一个工作目录。所有相对路径名都是从工作目录开始解释。进程可以使用chdir函数更改工作目录。
5、 家目录
登录时，工作目录设置为家目录，该家目录从口令文件中相对应用户的登录项中获取。
输入和输出
1、 文件描述符
文件描述符file descriptor通常是一个小的非负整数，内核用以表示一个特定进程正在访问的文件。
2、标准输入、标准输出和标准错误
每当运行一个新的程序时，shell都会为其打开3个文件描述符，即标准输入、标准输出和标准错误。如果不做特殊处理，这3个描述符都是连接终端。
3、不带缓冲的I/O
函数open、read、write、lseek以及close提供了不带缓冲的I/O。这些函数都是用文件描述符。
实例：从标准输入读，并向标准输出写。
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#include "apue.h" #define BUFFSIZE 4096 int main(int argc, char * argv[]) { 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"); } return 0; } |
头文件apue.h中了）以常量STDIN_FILENO和STDOUT_FILENO是POSIX标准的一部分。
STDIN_FILENO和STDOUT_FILENO包含在POSIX标准中，他们的值分别是0和1。
4、标准I/O
标准I/O函数为那些不带缓冲的I/O函数提供了一个带缓冲的接口。使用标准I/O函数无需单行如何选取最佳缓冲区大小。
实例：从标准输入读，并向标准输出写。
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#include "apue.h" int main(int argc, char * argv[]) { int c; while ((c = getc(stdin)) != EOF) { if (putc(c, stdout) == EOF) { err_sys("output error"); } } if (ferror(stdin)) { err_sys("input error"); } return 0; } |
标准I/O常量stdin和stdout被定义在
程序和进程
1、 程序
程序是一个存储在磁盘上某个目录中的可执行文件。内核使用exec函数将程序读入内存，并执行程序。
2、进程和进程ID
程序的执行实例被称之为进程。UNIX系统确保每个进程都有一个唯一的数字标识符，称为进程ID。进程是一个非负整数。
实例：获取进程ID
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#include "apue.h" int main(int argc, char const *argv[]) { printf("hello world from process ID %ld \n", (long)getpid()); return 0; } |
程序调用getpid函数获取到进程ID。
3、 进程控制
有3个主要用于进程控制的主要函数：fork、exec、waitpid。
实例：从标准输入读取命令，然后执行这些命令。
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#include "apue.h" #include <sys/wait.h> int main(int argc, char const *argv[]) { char buf[MAXLINE]; // 定义最长输入， MAXLINE定义在apue.h中 pid_t pid; // fork接收返回值 int status; // 接收子进程终止状态 printf("%% "); while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) { if (buf[strlen(buf) - 1] == '\n') { buf[strlen(buf) - 1] = 0; // execlp 函数的参数 要求 参数是以null结尾，而不是换行符 } if ((pid = fork()) < 0) { err_sys("fork error"); } else if (pid == 0) { // 子进程 execlp(buf, buf, (char *)0); // 执行命令 err_ret("couldn't execute: %s", buf); return 127; } // 回收子进程 if ((pid = waitpid(pid, &status, 0)) < 0) { err_sys("waitpid error"); } printf("%% "); } return 0; } |
4、 线程和线程ID
一个进程只有一个控制线程thread——某一个时刻执行的一组机器指令。
一个进程内的所有线程共享同一地址空间、文件描述符、栈以及与进程相关的属性。所以各线程在访问共享数据时需要采取同步措施以避免不一致性。
线程ID只在它所属的进程内起作用。一个进程中的线程ID在另外一个进程中没有意义。
线程模型实在进程模型建立很久以后才被引入到UNIX系统中的，然后这两种模型之间存在复杂的交互。
出错处理
UNIX系统函数出错时， 通常会返回一个负值。
文件errno以及可以赋予它的各种常量，这些常量以E开头。
POSIX和ISO C将error定义为一个符号，它扩展成为一个可修改的整型左值lvalue。它可以是一个包含出错编号的整数，也可以是一个返回出错编号的指针函数。以前定义是：
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extern int errno; |
但是在支持多线程的环境中，多个线程共享地址空间，每个线程都有属于自己的局部errno以避免一个线程干扰另一个线程。例如，Linux支持多线程存取errno，将其定义为：
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extern int *__errno_location(void); #define errno (*__errno_location()); |
对于errno应该注意两条规则。第一条，如果没有出错，其实不会被例程清除。第二条，任何函数都不会将errno值设置为0，而且在
C标准定义了两个函数，他们用于打印错误信息。
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#include <string.h> char *strerror(int errnum); // 返回指向消息字符串的指针 #include <stdio.h> void perror(const char *msg); // perror 基于 errno 的当前值， 在标准错误上阐述一条出错消息，然后返回。 |
实例： 使用上面2个粗错函数
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#include "apue.h" #include <errno.h> int main(int argc, char const *argv[]) { fprintf(stderr, "EACCES: %s\n", strerror(EACCES)); errno = ENOENT; perror(argv[0]); return 0; } |
出错恢复
可以将
对于致命性的错误，无法执行恢复动作。但是可以在用户屏幕上打印一条出错消息或者将错误消息写入日志。
对于非致命性出错，可以较妥善地进行处理。
用户标识
1、 用户ID
口令文件登录项中的用户ID是一个数值，他向系统表示各个不同的用户。
用户ID为0的用户为根用户。如果一个进程具有超级用户特权，则大多数文件权限检查都不再进行。
2、组ID
口令文件登录项也包括用户的组ID，它是个数值。组呗用于将若干个用户集合到项目或部门中去。这种机制允许同组的各个成员之间共享资源（如文件）。
组文件将组名映射为数值的组ID。组文件通常是/etc/group。
实例：打印用户的uid和gid。
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#include "apue.h" int main(int argc, char const *argv[]) { printf("uid = %d, gid = %d \n", getuid(), getgid()); return 0; } |
3、附属组ID
除了在口令文件中登录名指定一个组ID外，大多数UNIX系统还允许一个用户属于另外一些组。
信号
信号signal用于通知进程发生了某种情况。列入，某一进程执行了除法操作，其除数为0，则将名为SIGFPE（浮点异常）的信号发送给进程。进程又一下3中处理信号的方式：
（1）忽略信号。有些型号表示硬件异常，例如，除0后者访问进程地址空间外的内存等，因为这些异常产生的后果不确定，所以不推荐使用这种处理方式。
（2）按系统默认方式处理。对于除以0，系统默认方式是终止进程。
（3）提供一个函数，信号发生时调用该函数，这个被称作为捕捉该信号。
很多情况都会产生信号。终端键盘有两种产生信号的方法，分别称为中断键（Delete或Ctrl+C）和退出键（Chrl+\），他们被用于中断当前运行的进程。
另一种产生型号的方式是调用kill函数，在一个进程中调用此函数就可以向另一个进程发送一个信号。当向一个进程发送信号时，我们必须是那个进程的所有者活着是超级用户。
实例：注册捕捉信号
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#include "apue.h" #include <sys/wait.h> static void sig_int(int); int main(int argc, char const *argv[]) { char buf[MAXLINE]; pid_t pid; int status; // 注册 SIGINT 信号， 使用sig_int来处理 if (signal(SIGINT, sig_int) == SIG_ERR) { err_sys("signal error"); } printf("%% "); while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) { if (buf[strlen(buf) - 1] == '\n') { buf[strlen(buf) - 1] = 0; } if ((pid = fork()) < 0) { err_sys("fork error"); } else if (pid == 0) { /* child */ execlp(buf, buf, (char *)0); err_ret("couldn't execute: %s", buf); return 127; } if ((pid = waitpid(pid, &status, 0)) < 0) { err_sys("waitpid error"); } printf("%% "); } return 0; } void sig_int(int signo) { printf("interrupt\n%% "); } |
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gcc signal.c ./a.out |
启动进程后，另一个总段查询到进程号，调用KILL命令
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kill -SIGINT 4368 |
原终端输出 interrupt\n%%
时间值
UNIX系统使用过两种不同的时间值。
（1）日历时间。该值是自协调世界时（UTC） 1970年1月1日 00:00:00这个特定时间以来所经过的秒数累计值。几桶基本数据类型time_t。
（2）进程时间。也被称作为CPU时间，用以度量进程使用的中央处理器资源。进程时间以时钟滴答计算，每秒曾经取为50、60或100个时钟滴答。系统基本数据类型clock_t。
当度量一个进程的执行时间时，UNIX系统为一个进程维护了3个进程时间值：
- 时钟时间，它是进程运行时间的总量。
- 用户CPU时间，是执行用户指令所用的时间量。
- 系统CPU时间，是该进程执行内核程序所经历的时间。
用户CPU时间与系统CPU时间之和，被称作为CPU时间。
执行time命令就可以获取到任意进程的3个时间。
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$ cd /usr/include $ time -p grep _POSIX_SOURCE */*.h > /dev/null real 2.54 user 0.02 sys 0.09 |
系统调用和库函数
所有操作系统都提供多种服务的入口点，由此程序向内核请求服务。各个版本的UNIX实现都提供良好定义、数量有限、直接进入内核的入口点。这些入口点被称为系统调用system call。
从实现者的角度来看，系统调用和库函数之间有根本的区别，但从用户角度来看，其区别并不重要，系统调用和库函数都以C函数的形式出现，两者都为应用程序提供服务。
系统调用和库函数之间的差别：
（1）职责不同。系统调用内核态，库函数用户态。
（2）系统调用通常提供一种最小接口，而库函数通常提供比较复杂的功能。
进程控制系统调用（fork、exec、wait）通常由用户应用程序直接调用。但是为了简化某些常见的情况，UNIX系统也提供一些库函数，如system、popen。
