UNIX环境高级编程——UNIX基础知识

1.1 引言

所有操作系统都为它们所运行的程序提供服务，典型的服务包括：

• 执行新程序
• 打开文件
• 读文件
• 分配存储区
• 获得当前时间
• …

1.2 UNIX体系结构

• 可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，通常将这种软件称为内核，因为它相对较小，而且位于环境的核心；
• 内核的接口被称为系统调用；
• 公用函数库构建在系统调用接口之上，应用程序既可使用公用函数库，也可以使用系统调用；
• 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。
  

1.3 登录

1. 登录名

• 登录名保存在口令文件：/etc/passwd。

2. shell

• 登陆后，系统先显示一些系统信息，然后用户可以向shell程序键入命令；
• UNIX系统常见shell：
  

1.4 文件和目录

1. 文件系统

• 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的目录，这个目录的名称是一个字符“/”；
• 目录是一个包含目录项的文件，即目录也是文件；
• 每个目录项都包含一个文件名和说明该文件属性的信息；
• 文件属性指文件类型、大小、所有者、权限、修改时间等。

2. 文件名

• 目录中的各个名字称为文件名；
• 斜线（/）和空字符不能出现在文件名中，斜线用来分隔构成路径名的各文件名，空字符用来终止一个路径名。

3. 路径名

• 路径名：由斜线分隔的一个或多个文件名组成的序列（也可以斜线开头）；
• 绝对路径名：以斜线开头的路径名称；
• 相对路径名：不以斜线开头的路径名称，指向相对于当前目录的文件；
• 根：文件系统的根是个特殊的绝对路径名，它不包含文件名。

4. 工作目录

• 每个进程都有一个工作目录，也称其为当前工作目录；
• 进程可以用chdir函数更改其工作目录。

5. 起始目录

• 登录时，工作目录设置为起始目录；
• 起始目录从口令文件中相应用户的登录项中取得。

1.5 输入和输出

1. 文件描述符

• 文件描述符是一个小的非负整数，内核用以标识一个特定进程正在访问的文件；
• 内核打开、创建一个文件时，都返回一个文件描述符，读、写文件时，都可以使用这个文件描述符。

2. 标准输入、标准输出和标准错误

• 每当运行一个新程序时，所有shell都为其打开3个文件描述符，即：标准输入、标准输出、标准错误；
• 如果不做特殊处理，这3个描述符都链接向终端；
• 可将这3个文件描述符重定向到某个文件。

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，这些函数都使用文件描述符。

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。

• fgets：读取一个完整的行；
• read：读取指定字节数；
• getc：读取一个字符；
• putc：将字符写到标准输出。

1.6 程序和进程

1. 程序

• 程序：是一个存储在磁盘上的可执行文件；
• 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

• 进程：程序执行的实例，正在执行的程序；
• 进程ID：进程的唯一标识符，一个非负整数。

3. 进程控制

有3个用于进程控制的主要函数：

• fork
• exec（7种变体，统称为exec函数）
• waitpid

4. 线程和线程ID

• 一个进程内的所有线程共享同一地址空间、文件描述符以及与进程相关的属性；
• 线程不共享栈，每个线程有单独的栈、程序计数器PC；
• 线程在访问共享数据时要采取同步措施以避免不一致性；
• 线程ID：线程的唯一标识符，线程ID只在它所属的进程内起作用。

1.7 出错处理

当UNIX系统函数出错时，通常会返回一个负值，而且整型变量errno通常被设置为具有特定信息的值，文件中定义了errno以及可以赋予它的各种常量，这些常量都以字符E开头。

errno的两条注意规则：

• 如果没有出错，其值不会被例程清除；
• 任何函数都不会将errno值设置为0，而且在中定义的所有常量都不为0。

C标准中的两个用于打印出错信息的函数：

• strerror：将errnum（通常就是errno值）映射为一个出错消息字符串，并且返回此字符串的指针；

#include 

char *strerror(int errnum);

• perror：基于errno的当前值，在标准错误上产生一条出错信息，然后返回。

#include 

void perror(const char *msg);

1.8 用户标识

1. 用户ID

• 用户ID是一个数值，唯一标识各个不同的用户，在确定用户登录名时确定；
• 用户ID为0的用户为根用户（root）或超级用户。

2. 组ID

• 组ID也是一个数值，在指定用户登录名时分配；
• 多个登录项（用户）具有相同的组ID；
• 同组的各个成员之间共享资源。

3. 附属组ID

UNIX允许一个用户属于另外一些组，即一个用户可以属于多个组。

1.9 信号

信号用于通知进程发生了某种情况，进程处理信号的3种方式：

• 忽略信号；
• 按系统默认方式处理；
• 捕捉信号：提供一个函数，信号发生时调用该函数。

1.10 时间值

UNIX系统使用过的两种不同的时间值：

• 日历时间：自协调世界时（Coordinated Universal Time，UTC）1970年1月1日00:00:00以来所经过的秒数累计值，系统基本数据类型time_t用于保存这种时间值；
• 进程时间：也称CPU时间，用以度量进程使用的中央处理器资源，以时钟滴答计算，每秒钟曾取50、60或100个时钟滴答，系统基本数据类型clock_t用于保存这种时间值。

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：又称墙上时钟时间，它是进程运行的时间总量，其值与系统同时运行的进程数有关；
• 用户CPU时间：执行用户指令所用的时间量；
• 系统CPU时间：为该进程执行内核程序所经历的时间。

用户CPU时间和系统CPU时间之和常被称为CPU时间。

1.11 系统调用和库函数

• UNIX为每个系统调用在标准C库中设置一个具有同样名字的函数；
• 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；
• 应用程序既可以调用系统调用也可以调用库函数，很多库函数都会调用系统调用；
• 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。
  

1.12 实例代码

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