POSIX（包含程序的可移植性） -- 详解

1. 什么是 POSIX

参考链接–知乎

POSIX 标准包含了进程管理、文件管理、网络通信、线程和同步、信号处理等方面的功能。
这些接口定义了函数、数据类型和常量等，为开发者提供了一个可移植的方法来与操作系统进行交互。

2. 谁遵守这个标准

遵守 POSIX 标准的主要是 C 实现相关的程序，如操作系统或 C 标准库函数。

2.1 操作系统

操作系统利用 POISX 定义一组通用的 API，将底层操作系统的功能封装起来，从而提供了与具体操作系统无关的高级功能。
即操作系统的 POSIX API 是面向底层硬件的。旨在让用户开发应用程序更方便与硬件交互。

Unix 和 Linux、苹果的Mac OS X、win10 等等都存在 POSIX 标准的系统调用函数。

• 利用 POSIX 函数开发程序示例：
  1. 利用 linux 下 POSIX 标准的进程管理相关函数做了一个程序
  2. 将该程序移植到另一个支持 POSIX 的系统上后（如移植到 WIN10），该程序可能不能正常运行
  3. 分析原因：实现了 POSIX 标准的各个操作系统都有相同的函数结构（结构，返回值等），可以通过 POSIX 标准去理解不同操作系统的同类函数，但命名可能不一样，但肯定存在功能相同的一个函数，需要调整后才能实现跨平台。

2.2 库函数

库函数也分为两类：

一类是 C 语言标准规定的库函数
一类是编译器特定的库函数。

(由于版权原因，库函数的源代码一般是不可见的，但在头文件中你可以看到它对外的接口)

库函数是语言或应用程序的一部分，而系统调用属于系统的一部分。

2.2.1 C 标准库函数

glibc 是 Linux 下使用的开源的标准 C 库，它是 GNU 发布的 libc 库，即运行时库。这些基本函数都是被标准化了的，而且这些函数通常都是用汇编直接实现的。
系统调用是为了方便使用操作系统的接口，而库函数则是为了人们编程的方便。

• 下图是 C 标准库函数和系统调用间的关系图
  

  库函数调用与系统无关，不同的系统，调用库函数，库函数会调用不同的底层函数实现，因此可移植性好。

2.2.2 程序的可移植性实现

因为系统调用是最底层的，不太可能在这一层去实现可移植性， 故我们应该在代码层去实现。

• 如 C语言标准库 glibc，该库封装屏蔽了调用操作系统 API 的细节，故程序的可移植性可以通过标准库这个中间层来实现。
  • 示例 1
    例如在我们的代码中下功夫。以下代码可以帮助我们实现各平台之间的可移植：

    #ifdef _WINDOWS_
           CreateThread();      //windows下线程的创建
    #else
           Pthread_create();    //Linux下线程的创建
    #endif
    

  • 示例 2
    对于头文件，也使用同样的预编译宏来实现。如：

    #ifndef _WINDOWS_
           #include 
    #else
           #include 
    #endif
    

  • 在编译的时候只要通过 #define 就可以选择在那个平台下完成程序的编译。

综上所述，我们都是将C，C++等各种语言当作中间层，以实现其一定程度上的可移植。如今，语言的跨平台的程序都是以这样的方式实现的。但是在不同的平台下，仍需要重新编译。

3. 库函数 和 系统调用间关系图

以 printf() 函数调用为例：
printf 函数执行过程中，程序运行状态切换如下：

用户态 –> 系统调用 –> 内核态 –> 返回用户态

实例代码如下：

#include 

int main(int argc, char **argv)
{
    printf(yikoulinux);   
    return 0;
}   

编译执行

root@ubuntu:/home/peng/test# gcc 123.c -o run
root@ubuntu:/home/peng/test# strace ./run

注意：运行程序前加上 strace，可以追踪到函数库调用过程，得到结果如下图

如执行结果可知： 我们的程序虽然只有一个 printf 函数，但是在执行过程中，我们前后调用了 execve、access、open、fstat、mmap、brk、write 等系统调用。 其中 write 系统调用会把字符串：yikoulinux 通过设备文件 1，发送到驱动，该设备节点对应终端 stdout。

4. 遵循 POSIX 标准的好处

最大好处就是可以开发出可移植性强的程序（通常利用的是 C 语言标准库函数）。