学习《Unix/Linux编程实践教程》(1)：Unix 系统编程概述

0.目录

1.概念

2.系统资源

3.学习方法

4.从用户的角度来理解 Unix

• 4.1 登录——运行程序——注销
• 4.2 目录操作
• 4.3 文件操作

5.从系统的角度来理解 Unix

• 5.1 网络桥牌
• 5.2 bc：Unix 的计算器
• 5.3 从 bc/dc 到 Web

6.小结

1.概念

概念：

• Unix 系统包含用户程序和系统内核
• 内核由多个子系统构成
• 内核管理所有的程序和资源
• 进程之间的通信对 Unix 程序是很重要的
• 什么是系统编程

相关命令：

• bc

一些术语：

• 内存空间用来存放程序和数据，所有的程序都必须在内存空间中才能运行。
• 用来容纳操作系统的内存空间叫做系统空间，容纳应用程序的内存空间叫做用户空间。
• 操作系统也被称为内核。

什么是系统编程：

• 程序要访问设备(如键盘、磁盘和打印机)必须通过内核，所以只有内核才能直接管理设备。程序如果要从键盘得到数据，必须向内核发出请求，若在显示器上显示结果，也要通过内核，程序中所有对设备的操作都是通过内核进行的。内核向程序提供服务以便程序能够访问到设备。
• 解释了这些内容后，再来看什么是系统编程。编写普通程序时可以认为，程序是直接连到键盘、显示器、磁盘等设备的，但在进行系统编程时，必须对系统的结构和工作方式有更深的了解，要知道内核提供哪些服务( 系统调用 )，如何使用它们，系统有哪些资源和设备，不同的资源和设备该如何操作。

2.系统资源

内核提供服务以便系统程序可以直接访问系统资源，那么有哪些系统资源和服务呢?

1. 处理器(Processor)
   • 程序是由指令构成的，处理器是执行指令的硬件设备，一个系统中可能有多个处理器。内核能够安排一个程序何时开始执行，何时暂时停止、恢复执行，何时终止执行。
2. 输入输出(I/O)
   • 程序中所有输入/输出的数据、终端的输入/输出数据还有硬盘输入/输出数据，都必须流经内核，这种集中的处理方式有以下优点：正确性，数据流不会流错地方；有效性，程序员无需考虑不同设备之间的差异；安全性，数据信息不会被未被授权的程序非法访问。
3. 进程管理(Process Management)
   • 进程指程序的一次运行，每个进程都有自己的资源，如内存、打开的文件和其他运行时所需的系统资源。内核中与进程相关的服务有新建一个进程、中止进程、进程调度等。
4. 内存(Memory)
   • 内存是计算机系统中很重要的资源，程序必须被装载到内存中才可以运行。内核的职责之一是内存管理，在需要的时候给程序分配内存，当程序不需要的时候回收内存，内核还能够保证内存不被其他的进程非法访问。
5. 设备(Device)
   • 计算机系统中可以有各种各样的外设，如磁带机、光驱、鼠标、扫描仪和数码摄像机等，它们的操作方式各不相同，内核能屏蔽掉这种差异，使得对设备的操作方式简单而统一。例如，一个程序想要从数码照相机中取出照片存储在计算机中，它只需向内核提出操作该资源的请求即可。
6. 计时器(Timers)
   • 程序的工作与时间有关，有的需要定时被触发，有的需要等一段时间再开始某个动作，有的需要知道某一个操作消耗的时间，这些都涉及计时器，内核可以通过系统调用向应用程序提供计时器服务。
7. 进程间通信(Interprocess Communication)
   • 在现实生活中人们通过电话、e-mail、信件、广播、电视等互相通信，在计算机的世界中，不同的进程也需要互相通信，内核提供的服务使进程间通信成为可能。就像电信和邮政提供的服务，通信也是资源。
8. 网络(Networking)
   • 网络之间的通信可以看作是进程间通信的特殊形式，通过网络，不同主机上的进程，即使使用的是不同操作系统，也可以互相通信。网络通信也是内核提供的服务。

3.学习方法

本书通过以下 3 个步骤来学习：

1. 分析程序
   • 首先分析现有的程序，了解它的功能及实现原理。
2. 学习系统调用
   • 看程序都用到哪些系统调用，以及每个系统调用的功能和使用方法。
3. 编程实现
   • 利用学到的原理和系统调用，自己编程实现原来程序所实现的功能。

以上 3 步可以通过下面 3 个问题来实现：

• 它能做什么？
• 它是如何实现的？
• 能不能自己编写一个？

4.从用户的角度来理解 Unix

4.1 登录——运行程序——注销

用户登陆时，系统启动单独的一个 shell 进程来处理该用户的请求（多用户环境）；用户注销时，系统结束分配给该用户的 shell 进程。

4.2 目录操作

用户登录后，可以对自己的文件进行操作。文件中可以有 e-mail、图片、源程序、可执行程序等各种各样的数据。文件被组织在目录中。

目录树：

目录操作命令：

1. ls——列出目录内容
   
2. cd——改变当前目录
   1. cd 命令的作用是改变当前的目录。当刚刚登录到系统中时，当前目录是自己的主目录，可以通过 cd 命令转到其他目录，如：
      
3. pwd——显示当前目录
   
4. mkdir、rmdir——新建、删除目录
   

目录操作命令的工作原理：

• 涉及到系统怎么保存描述目录树的信息，以及不同目录操作命令对应的对这些信息的修改。

4.3 文件操作

文件存放在目录中，用户文件位于用户自己的主目录中，系统文件位于系统目录中。

文件命名规则：

• 每个文件都有文件名，在大多数的 Unix 系统中，文件名最长可以是 250 个字符，很多字符都可以出现在文件名中，如大小写字符、标点符号、空格、tab，甚至回车符，但是不能包含根目录符号“/”。

文件操作命令：

1. cat，more，less，pg——查看文件的内容
   
2. cp——文件复制
   
3. rm——文件删除
   
4. mv——重命名或移动文件
   
5. lpr，lp——打印文件
   

文件操作命令的工作原理：
同样涉及到系统怎么保存文件的控制信息和文件的数据信息，以及不同的文件操作命令对应的对这些信息的修改。

文件许可权限：
系统中每个用户都有自己的文件，出于很多原因，你不会希望别的用户能够修改自己的文件，甚至读也不行。系统中有一些管理命令，如果使用得不好会对系统造成损害，管理员不希望普通用户也有运行这些命令的权力。这些对文件和命令操作的限制是如何行使的呢?

每个文件都有文件所有者和 3 组许可权限：

5.从系统的角度来理解 Unix

5.1 网络桥牌

许多人都玩网络桥牌这个游戏，世界各地的玩家通过计算机网络连接到一起，游戏开始以后，参加者就可以看到一个共同的牌桌，能够看到别人出的牌，图 1.9 是一个简单的说明。

图 1.9 中有 4 个人，他们每人都有一台计算机，通过网络连接在一起。但图 1.9 中还少了牌桌，下面把它加上，如图 1.10 所示。

图 1.10 中增加了第 5 个实体——牌桌，牌桌位于服务器上，在 4 个玩家的眼里，牌是放在牌桌上的，他们也是通过牌桌才能够开始游戏。

在现实生活中玩牌的时候，人们轮流出牌，但在网络游戏中，是由谁来控制该哪一个人出牌?牌又存放在哪里?某个人手中有几张牌又意味着什么?如何来保证不让两个人有同一张牌?这在现实生活中不会有任何问题，但在虚拟的网络中确实要仔细考虑。

图 1.11 显示了在网络桥牌中的信息流。

网络桥牌的例子展示了 Unix 系统编程中 3 个重要的方面。

• (1) 通信
  1. 某个用户或进程如何与其他用户或进程交换信息?
• (2) 协作
  1. 在同一个时刻，网络桥牌的两个用户不会都去拿同一张牌，程序如何来协调多个进程使他们能够没有冲突地访问共享资源?
• (3) 网络访问
  1. 在这个例子中，互相独立的计算机通过网络连接到一起，那么计算机中的程序是如何来使用网络的呢?

5.2 bc：Unix 的计算器

Unix 系统中的 bc 命令是执行一个基于字符的计算器程序，bc 有两个重要的特点。

要启动这个计算器，只要输入：

bc 的另一个重要特点是，从严格的意义上讲，bc 并不做任何计算。为了说明这一点，做如下操作：

ps 命令可以列出系统中运行的所有进程，这里一共有 4 个进程，除了两个 bc 外，bash 是 shell 进程，那么 dc 是什么?
在大多数的 Unix 系统中都提供了联机帮助，可以从那里得到需要的信息，要找关于 dc 的信息，只要输入：

读了 bc 的联机帮助就会知道，bc 是 dc 的预处理器，它将用户输入的表达式转换成逆波兰表达式，然后通过一个称为管道(pipe)的通信程序交给 dc，如图 1.12 所示。

用户输入中缀表达式如“2+2”，bc 将它转化为相应的后缀表达式形式，交给 dc 执行，dc 计算表达式的值，将结果返回给 bc，bc 再将结果以合适的形式显示在显示器上。所以对普通用户而言，bc 就是计算器。

5.3 从 bc/dc 到 Web

6.小结

• 计算机系统中包含了很多系统资源，如硬盘、内存、外围设备、网络连接等，程序利用这些资源来对数据进行存储、转换和处理。
• 多用户系统需要一个中央管理程序，Unix 的内核就是这样的程序，它可以对程序和资源进行管理。
• 用户程序要访问设备必须经过内核。
• 一些 Unix 的系统功能是由多个程序的协作而实现的。
• 要编写系统程序，必须对系统调用和相关的数据结构有深人的理解。