从零开始UNIX环境高级编程(1):Unix基础知识

1. 概述

《UNIX环境高级编程》介绍的是不同版本的Unix操作系统提供的服务。那具体指的是哪些服务呢?首先,需要了解整个Unix操作系统的体系结构。

1.1 Unix体系结构

Unix操作系统的体系结构,如下图所示:

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Unix操作系统体系结构
  • 硬件: 芯片、电路板、磁盘、键盘等。

  • 内核:有对所有硬件的完全访问权,并且只有内核才能操作硬件

  • 系统调用:操作内核的接口

  • shell:是一种特殊的应用程序,分为command-line interface (CLI) shell和Graphical shell

  • 公用函数库:建立在系统调用基础之上

  • 应用程序:可以进行系统调用,也可以调用公用函数库

从Unix体系结构可以看出,如果需要使用Unix系统提供的服务,那么必须进行系统调用或者库函数调用。因此,本书介绍的内容就是Unix系统函数和公用库函数的使用方式。

1.2 系统调用和库函数

  • 库函数分为两类:一种是对系统调用的封装,如malloc是对库函数sbrk(2)的封装。另外一种库函数没有进行系统调用,如strcpy,格式转换这类函数。
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系统函数和库函数

1.3 Unix程序员手册

我们经常都能看到这种表示: ls(1) write(2) group(5) ... ..

其中括号里面的数字代表手册的区段,Unix程序员手册被分为8个部分,每个部分描述不同的内容。

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手册区段

可以通过man命令来查询手册:

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man 5 group

2. 登录

2.1 口令文件(/etc/passwd)

用户在登录系统时,需要输入登录名和密码。这些信息都存放在口令文件(通常是/etc/passwd文件)中查看登录名,组成字段信息如下,以逗号隔开。

ckt@ubuntu:~$ cat /etc/passwd
ckt:x:1000:1000:ckt,,,:/home/ckt:/bin/bash
  • 登录名:ckt
  • 加密口令:x
  • 用户ID:1000
  • 组ID:1000
  • 注释段:ckt,,,
  • 起始目录:/home/ckt
  • shell程序:/bin/bash

2.2 用户标识

用户ID,组ID和附属组ID用作用户的唯一标识,以区分不同的用户。

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用户标识
  • 查看组文件/etc/group
 ckt@ubuntu:~$ cat /etc/group | grep zhm
 zhm:x:1001:ckt

使用man命令查看/etc/group格式为: group_name:password:GID:user_list

  • 组名称:zhm
  • 密码:x
  • 组ID:1001
  • 用户列表:ckt

  • 示例程序
    获得当前用户的user ID和group ID
#include "apue.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int user_id = -1;
    int group_id = -1;
    user_id = getuid();
    group_id = getgid();
    printf("user_id = %d, group_id = %d \n", user_id, group_id );
    return 0;
}
  • 运行结果
    以ckt作为用户运行程序,得到user_id和group_id为1000,和通过cat /etc/passwd得到的结果一致。
    再切换到root用户下运行,得到user_id和group_id为0。
ckt@ubuntu:~/work/unix/code$ ./a.out 
user_id = 1000, group_id = 1000 

root@ubuntu:/home/ckt/work/unix/code# ./a.out 
user_id = 0, group_id = 0 

2.3 shell

是一种特殊的应用程序,分为command-line interface (CLI) shell和Graphical shell。由/etc/passwd中设置的shell path可以知道,我们使用的shell是Bourne-Again shell。

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常见shell

3. 文件和I/O操作

3.1 文件和目录

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文件和目录.png

文件描述符

内核用来标识一个特定进程正在访问的文件

  • 文件描述符示例代码
    使用open打开一个文件,并打印出文件描述符的值。
#include "apue.h"
#include 

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int file_descr = -1;
    file_descr = open("/home/ckt/work/unix/code/MySignal.c", O_RDONLY);
    printf("file descriptor = %d\n", file_descr);
    return 0;
}
  • 运行结果

成功打开一个文件时,返回一个非负整数作为文件描述符。打开一个不存在的文件,返回-1。

ckt@ubuntu:~/work/unix/code$ ./a.out 
file descriptor = 3

ckt@ubuntu:~/work/unix/code$ ./a.out 
file descriptor = -1

3.2 输入和输出

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输入和输出
  • 不带缓存I/O和标准I/O对比
    以不带缓存I/O的read函数为例,函数原型:ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); 在调用read时需要设置缓存区长度即count,如下图所示,不同大小的缓存区对读写操作时间也会有影响。读取相同大小的数据,设置的buffsize过小,read的调用次数就会增加,程序的系统CPU时间变长。
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Unix环境高级编程 3.9 I/O效率

调用标准I/O函数无需设置buffsize,先将数据读入缓存流,在填满缓存区后才执行对磁盘的I/O磁盘。
标准I/O库提供缓存的目的就是为了尽可能的减少read的调用次数。


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不带缓存I/O和标准I/O区别
  • printf是按行进行缓冲 - 示例程序
    printf是按行进行缓冲,只有当一行结束以后,才会将数据输出。
#include "apue.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    printf("This Line has been cached...");
    sleep(3);
    printf("\nEnd by line break...\n");
    return 0;
}
  • 运行结果
    由于第一个printf没有加换行符,它的缓冲区没有被填满,所以不会马上显示到标准输出,只有当3秒的休眠结束都,执行到第2个printf的\n,缓冲区被填满了以后,才会将第一句printf输出。
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示例代码运行效果

修改代码为:printf("This Line has been cached...\n"); 后运行,会立即输出第一句printf。

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printf后面加上换行符运行效果

4. 程序及处理

4.1 进程和程序

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程序和进程
  • 进程示例程序
    使用fork创建一个新进程,并打印出fork的返回值和当前的进程id。
#include "apue.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int values = -1;
    printf("current pid = %d\n", getpid());
    values = fork();
    printf("values return by fork : %d, current pid : %d\n", values, getpid()); 
    return 0;
}
  • 运行结果
    fork调用一次,会返回两次。返回值不为0,表示当前为父进程;返回值
    为0,表示当前调用是在子进程里面。
ckt@ubuntu:~/work/unix/code$ ./process_test
current pid = 2622
values return by fork : 2623, current pid : 2622
values return by fork : 0, current pid : 2623

4.2 出错处理

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出错处理
  • 打印错误函数 - 示例代码
    使用strerror和perror进行错误打印。
#include "apue.h"
#include 

int main(int argc, char const *argv[])
{
    printf("The default value of errno : %d\n", errno);
    fprintf(stderr, "%s\n", strerror(EACCES));
    errno = ENOENT;
    perror("printf the last value of errno ");
    return 0;
}
  • 运行结果
    程序出错后,错误值是存放在errno里面的。先打印出errno的默认值为0。先使用strerror(EACCES),将枚举值EACCES转为对应错误的字符串描述。再重新赋值errno = ENOENT,perror也会将error转化为对应错误的字符串。它们的区别就在于,perror可以传入一个字符串作为参数输出。
ckt@ubuntu:~/work/unix/code$ ./a.out 
The default value of errno : 0
Permission denied
printf the last value of errno : No such file or directory

4.3 信号

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信号
  • 函数

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

  • 信号示例代码
    当捕捉到ctrl+c信号时,就调用自定义函数MySigHanlder。SIGINT就代表我们要捕捉的信号是ctrl+c。
#include "apue.h"

void MySigHanlder();

int main(int argc, char const *argv[])
{
    char buf[MAXLINE];
    printf("please input...\n");
    if (signal(SIGINT, MySigHanlder) == SIG_ERR) 
    {

    }
    while (fgets(buf, MAXLINE,stdin) != NULL) 
    {
        printf("please input...\n");
    }
    return 0;
}

void MySigHanlder() 
{
    printf("\nsignal catch by MySigHanlder\n");
}
  • 捕捉ctrl+c - 运行效果
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捕捉ctrl+c
  • 不捕捉ctrl+c - 运行效果
    如果将signal(SIGINT, MySigHanlder)注释掉,按照系统默认方式处理,直接停止程序。
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不捕捉ctrl+c

5. Unix时间

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Unix时间
  • 使用time命令查看ls命令执行的时间
ckt@ubuntu:~$ time ls
Android  AndroidStudioProjects  android-x86  ARM_Compiler_5   

real    0m0.006s
user    0m0.000s
sys 0m0.006s

FreeMind

按照书中讲解顺序,附上完整的思维导图。

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Unix基础

参考

  • UNIX 环境高级编程 第3版
  • Linux中time命令输出的Real time, User time and Sys time
  • perror的用法
  • UNIX时间
  • sbrk(2)
  • Linux探秘之I/O效率
  • 带缓冲I/O 和不带缓冲I/O的区别与联系

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