chapter 1 unix基础知识

1.1 引言

从程序员的角度，快速浏览UNIX。

1.2 UNIX体系结构

操作系统狭义上指的就是内核，内核的接口称为系统调用，公用函数库建立在系统调用之上。应用程序既可以使用公用函数库，也可以使用系统调用。shell是一个特殊的应用程序，为运行其他应用提供接口。

广义上讲，操作系统包含内核和一些其他软件。实际上Linux是GNU操作系统的内核，但大家普遍上称其为操作系统

1.3 登录

可在/etc/passwd文件中查看登录名，目前系统已经加密口令移到了另一个文件中

1.4 文件和目录

• 目录：一个包含目录项的文件。逻辑上认为每个目录项都包含一个文件名和文件属性信息。stat命令可以查看文件属性。目录项的逻辑视图与实际在磁盘上的存储是不同的。

• 创建新目录时，会自动创建两个文件名：. 和 ..
• 列出一个目录所有文件的名字

1.5 输入和输出

• 文件描述符：小的非负整数，内核用以标识特定进程正在访问的文件。当打开或是创建一个新文件时，内核都返回一个文件描述符，在读写的时候可以使用它
• 标准输入，标准输出和标准错误：每当运行一个新程序时，shell都会默认为其打开3个文件描述符，即标准输入，标准输出和标准错误，若不做特殊处理，这三个文件描述符都链接向终端。
• 不带缓冲的IO：
  • read：返回读取的字节数。到达文件尾端时，返回0；出错时，返回-1
  • write：返回写入的字节数

    #include "apue.h"
    
    #define    BUFFSIZE   4096
    
    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);
    }

• 标准IO的优势：
  • 无需担心选取最佳的缓冲区大小
  • 简化了对输入的处理：如fgets函数可以读入一个完整的行，而read要指定字节数

#include "apue.h"

int
main(void)
{
   int       c;

   while ((c = getc(stdin)) != EOF)
      if (putc(c, stdout) == EOF)
         err_sys("output error");

   if (ferror(stdin))
      err_sys("input error");

   exit(0);
}

stdin和stdout也在头文件<stdio.h>中定义，分别代表标准输入和标准输出。

文件结束符通常是ctrl-D

1.6 程序和进程

• 打印进程ID

getpid()函数可以得到进程ID，数据类型为pid_t，标准会保证它可以存储在长整型当中。

#include "apue.h"

int
main(void)
{
   printf("hello world from process ID %ld\n", (long)getpid());
   exit(0);
}

• 进程控制
  • fgets
    • fgets从标准输入一次读取一行，当键入文件结束符作为行的第一个字符时，fgets返回null指针，进程终止
    • fgets返回的每一行都以换行符结尾，后接一个null字节。需要将换行符替换为null，因为execlp要求的参数是以null结束的
  • fork
    • 用fork可以创建一个新进程，fork对于父进程返回子进程的pid，而对于子进程则返回0；
    • 因为fork创建一个新进程，所以它被调用一次（在父进程），但返回了两次（在父进程和子进程）
  • execlp
    • execlp用以执行从标准输入读入的命令，实际上是用新的程序文件代替了子进程原先执行的程序文件
    • fork和exec两者的组合就是产生(spawn)一个新进程
    • 子进程调用execlp执行新程序文件，而父进程希望等待子进程终止，这就是通过调用waitpid实现的。
  • waitpid
    • 需要指定要等待进程的pid，返回子进程的终止状态(status变量)

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

int
main(void)
{
   char   buf[MAXLINE];  /* from apue.h */
   pid_t  pid;
   int       status;

   printf("%% "); /* print prompt (printf requires %% to print %) */
   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) {    /* child */
         execlp(buf, buf, (char *)0);
         err_ret("couldn't execute: %s", buf);
         exit(127);
      }

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

该命令的主要缺陷是不能向所执行的命令传递参数，如下图，需要进一步通过某种约定对行进行解析。

• 线程与线程ID
  • 使用线程的好处
    • 有多个控制线程分别作用于问题的不同部分，解决起来就会容易得多
    • 多个线程可以充分利用多处理器系统的并行能力
  • 一个进程内的所有线程共享同一地址空间、文件描述符、栈以及进程相关的属性，所以访问共享数据时需要采取同步措施以避免不一致性
  • 线程也通过ID标识，但它只对它所属的进程有作用

1.7 出错处理

• 系统函数出错时通常会返回一个负值
• Linux出错常量在errno中定义
• C标准定义了两个函数，用于打印出错消息
  • strerror：将errno映射为一个出错消息字符串
  • perror：基于errno在标准错误上产生一条出错消息
• 出错恢复：
  • 致命性错误
  • 非致命性错误
    • 延迟一段时间，重试等方法

1.8 用户标识

• 用户ID：

  • 用户ID是系统用来标识不同用户的，每个用户有唯一的ID，内核通过使用用户ID来检验该用户是否有执行某些操作的权限
  • ID为0的用户为超级用户(root)

• 组ID：

  • 被用于将若干用户集合到项目或部门中去，该机制允许同组的各个成员之间共享资源
  • 组文件将组名映射为组ID，通常是/etc/group

• 存储用户ID和组ID仅需4字节

• 打印用户id和组id

  • getuid()：用户id
  • getgid()：组id

#include "apue.h"

int
main(void)
{
   printf("uid = %d, gid = %d\n", getuid(), getgid());
   exit(0);
}

1.9 信号

用户通知进程发生了某种状况，如若发生了除0错误，会将名为SIGFPE的信号发送给该进程。

• 进程有以下处理信号的方式
  • 忽略信号
  • 按系统默认方式处理
  • 提供一个函数，信号发生时调用该函数
• 终端键盘上产生信号的两种方法：
  • 中断键：ctrl-c
  • 退出键：ctrl-\