《Unix/Linux系统编程》学习笔记1

第1章 引言

一.知识点归纳

1.Unix的历史

Unix是一种通用操作系统。该系统诞生于20世纪70年代早期，由肯·汤普森和丹尼斯·里奇采用贝尔实验室的PDP-11微型计算机开发。1975年，贝尔实验室向公众发布了Unix，称为V6 Unix。

2.Linux的历史

Linux是一个类Unix系统。它最初是林纳斯·托瓦斯在1991年为基于INtel x86的个人计算机开发的一个实验室内核。后来，世界各地的人都开始加入Linux的研发队伍。在20世纪90年代末，Linux与GNU相结合，纳入了许多GNU软件，极大地促进了Linux的进一步发展。不久之后，Linux实现了访问互联网的TCP/IP协议族，并移植了支持GUI的X11，成为一个完整的操作系统。

3.本书目标

1. 强化学生的编程背景知识
2. 动态数据结构的应用
3. 进程概念和进程管理
4. 并发编程
5. 定时器和定时功能
6. 信号、信号处理和进程间通信
7. 文件系统
8. TCP/IP和网络编程

4.Unix/Linux命令

• ls：ls dirname：列出CWD或目录的内容。
• cd dirname：更改目录。
• pwd：打印CWD的绝对路径名。
• touch filename：更改文件名时间戳（如果文件不存在，则创建文件）。
• cat filename：显示文件内容。
• cp src dest：复制文件。
• mv src dest：移动或重命名文件。
• mkdir dirname：创建目录。
• rmdir dirname：移除（空）目录。
• rm filename：移除或删除文件。
• ln oldfile newfile：在文件之间创建链接。
• find：搜索文件。
• grep：搜索文件中包含模式的行。
• ssh：登录到远程主机。
• gzip filename：将文件压缩为.gz文件。
• gunzip file.gz：解压.gz文件。
• tar -zcvf file.tgz .：从当前目录创建tar文件。
• tar -zxvf file.tgz .：从.tgz文件中解压文件。
• man：显示在线手册页。
• zip file.zip filenames：将文件压缩为.zip文件。
• unzip file.zip：解压.zip文件。

5.一些常用快捷键

• Ctrl+c：强行终止当前程序
• Ctrl+d：键盘输入结束或退出终端
• Ctrl+s：暂停当前程序，暂停后按下任意键恢复运行
• Ctrl+z：将当前程序放到后台运行，恢复到前台为命令fg
• Ctrl+a：将光标移至输入行头，相当于Home键
• Ctrl+e：将光标移至输入行末，相当于End键
• Ctrl+k：删除从光标所在位置到行末
• Alt+Backspace：向前删除一个单词
• Shift+PgUp：将终端显示向上滚动
• Shift+PgDn：将终端显示向下滚动

6.Linux 的目录结构

7.课上用过的Linux命令

二.问题与解决思路

1.网络无法连接

• 还原默认设置
• 使用nmcli，在命令端输入：

sudo nmcli networking off
sudo nmcli networking on

再重启网络：

sudo service network-manager restart

三.实践内容与截图

1.用户及文件权限管理

（1）查看用户：

who am i
或者
who mom likes

有一点需要注意的是，在某些环境中 who am i 和 who mom likes 命令不会输出任何内容，这是因为当前使用的 Shell 不是登录式 Shell（login shell），没有用户与 who 的 stdin 相关联，因此不会输出任何内容。登录 Shell 是指用户使用自己的 user ID 登录交互式 shell 的第一个进程，判断是不是登录 Shell 可以执行 echo $0 命令，如果返回 zsh、/bin/zsh、/bin/bash 这种格式，说明是非登录式 Shell（non-login shell）；如果返回 -zsh、-bash 则说明是登录式 Shell，这时你执行 who am i 就会有输出。

（2）创建用户：

现在我们新建一个叫 lilei 的用户：

这个命令不但可以添加用户到系统，同时也会默认为新用户在/home目录下创建一个工作目录：

现在已经创建好一个用户，并且可以使用创建的用户登录，使用如下命令切换登录用户：

（3）用户组：

在 Linux 里面如何知道自己属于哪些用户组呢？
方法一：使用 groups 命令

方法二：查看 /etc/group 文件
在最下面看到 shiyanlou 的用户组信息

也可以使用 grep 命令过滤掉一些不想看到的结果

将其它用户加入 sudo 用户组：

（4）删除用户和用户组：

删除用户：

删除用户组可以使用 groupdel 命令，倘若该群组中仍包括某些用户，则必须先删除这些用户后，才能删除群组。

（5）查看文件权限：

• 显示所有文件大小，并以普通人类能看懂的方式呈现：
  

（6）变更文件所有者：

切换到 lilei 用户，然后在 /home/lilei 目录新建一个文件，命名为 iphone11。

此时可见文件所有者是lilei。
现在切换回到ycy用户，使用以下命令变更文件所有者为ycy。

（7）修改文件权限：

• 方式一：二进制数字表示
  
  每个文件有三组固定的权限，分别对应拥有者，所属用户组，其他用户，记住这个顺序是固定的。文件的读写执行对应字母 rwx，以二进制表示就是 111，用十进制表示就是 7，对进制转换不熟悉的同学可以看看 进制转换。例如我们刚刚新建的文件 iphone11 的权限是 rw-rw-rw-，换成对应的十进制表示就是 666，这就表示这个文件的拥有者，所属用户组和其他用户具有读写权限，不具有执行权限。
  如果我要将文件 iphone11 的权限改为只有我自己可以用那么就可以用这个方法更改它的权限。
• 方式二：加减赋值操作
  
  g、o还有u分别表示group（用户组）、others（其他用户）和user（用户），+和-分别表示增加和去掉相应的权限。

2.Linux 目录结构及文件基本操作

（1）新建：

• 新建空白文件
  创建名为test的空白文件，因为在其它目录没有权限，所以需要先cd~切换回用户的Home目录：

cd ~
touch test

• 新建目录
  创建名为“mydir”的空目录：

mkdir mydir

使用 -p 参数，同时创建父目录（如果不存在该父目录），如下我们同时创建一个多级目录（这在安装软件、配置安装路径时非常有用）：

mkdir -p father/son/grandson

（2）复制：

• 复制文件
  将之前创建的 test 文件复制到 /home/shiyanlou/father/son/grandson 目录中：

cp test father/son/grandson

• 复制目录
  要成功复制目录需要加上 -r 或者 -R 参数，表示递归复制：

cd /home/ycy
mkdir family
cp -r father family

（3）删除：

• 删除文件
  使用rm命令删除一个文件：

rm test

有时候你会遇到想要删除一些为只读权限的文件，直接使用 rm 删除会显示一个提示，你如果想忽略这提示，直接删除文件，可以使用 -f 参数强制删除：

rm -f test

• 删除目录
  跟复制目录一样，要删除一个目录，也需要加上 -r 或 -R 参数：

rm -r family

遇到权限不足删除不了的目录也可以和删除文件一样加上 -f 参数：

rm -rf family

（4）移动文件与文件重命名：

• 移动文件
  使用mv命令移动文件（剪切）。命令格式是 mv 源目录文件 目的目录。
  例如将文件“file1”移动到 Documents 目录：
  
• 重命名文件
  mv命令除了能移动文件外，还能给文件重命名。命令格式为 mv 旧的文件名 新的文件名。
  例如将文件“file1”重命名为“myfile”：
  
• 批量重命名

cd /home/shiyanlou/
使用通配符批量创建 5 个文件:
touch file{1..5}.txt
批量将这 5 个后缀为 .txt 的文本文件重命名为以 .c 为后缀的文件:
rename 's/.txt/.c/' *.txt
批量将这 5 个文件，文件名和后缀改为大写:
rename 'y/a-z/A-Z/' *.c

（5）查看文件：

• 使用 cat，tac 和 nl 命令查看文件
  前两个命令都是用来打印文件内容到标准输出（终端），其中 cat 为正序显示，tac 为倒序显示。
  
  可以加上 -n 参数显示行号：
  
• 使用 more 和 less 命令分页查看文件
  
  打开后默认只显示一屏内容，终端底部显示当前阅读的进度。可以使用 Enter 键向下滚动一行，使用 Space 键向下滚动一屏，按下 h 显示帮助，q 退出。
• 使用 head 和 tail 命令查看文件
  只查看文件的头几行（默认为 10 行，不足 10 行则显示全部）和尾几行。
  
  甚至更直接的只看一行， 加上 -n 参数，后面紧跟行数：
  

（6）查看文件类型：

使用 file 命令查看文件的类型：

（7）编辑文件：

在Linux中编辑文件通常我们会直接使用专门的命令行编辑器比如（emacs，vim，nano），详见第二章

vimtutor

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第2章 编程背景

一.知识点归纳

1.Linux中的文本编辑器

（1）vim：

• 普通模式：按a键或者i键进入插入模式。
• 插入模式：可以按ESC键回到普通模式。
• 命令行模式：在命令行模式中可以输入会被解释成并执行的文本。例如执行命令（:键），搜索（/和?键）或者过滤命令（!键）。

1. 命令行模式下保存文档：从普通模式输入:进入命令行模式，输入w回车，保存文档。
2. 命令行模式下退出vim：从普通模式输入:进入命令行模式，输入wq回车，保存并退出编辑。
   

（2）gedit

（3）emacs：可输入apt-get install emacs进行安装

• 详细操作见 “ 三.实践内容与截图 ”。

2.C语言数据结构

二.问题与解决思路

1.安装时无法定位软件包

打开系统设置——软件和更新——ubuntu软件，把源选择清华大学的（mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn），最后更新一下就可以了。

2.在Linux中，C语言调用汇编代码怎样运行？

3.在Linux中，汇编代码调用C语言怎样运行？

4.编译出现-invalid instruction suffix for push

• 错误原因：在64位系统和32位系统的as命令对于某些汇编指令的处理支持不一样造成的。在.s文件中，包含指令:pushl %ebp，该指令在64位系统下就编译不过。
• 解决方法：在.s文件中，在代码头部添加 .code32 即可。
  

5.段错误（核心已转储）

1. 内存访问出错
   这类问题的典型代表就是数组越界。
2. 非法内存访问
   出现这类问题主要是程序试图访问内核段内存而产生的错误。
3. 栈溢出
   Linux默认给一个进程分配的栈空间大小为8M。c++申请变量时，new操作申请的变量在堆中，其他变量一般在存储在栈中。 因此如果你数组开的过大变会出现这种问题。

三.实践内容与截图

1. 程序开发（使用教材上代码2.3.1 ）

• 程序开发步骤

（1）创建源文件：

使用文本编辑器（gedit或emacs）创建一个或多个程序源文件。在系统编程中，最重要的编程语言是C语言和汇编语言。

（2）用gcc把源文件转换成二进制可执行文件：

（3）gcc是一个程序，它包含三个主要步骤：

1. 将C源文件转换为汇编语言文件。 （.c 文件 -> .s 文件）
2. 把汇编代码转换成目标代码。 （.s 文件 -> .o 文件）
3. 链接。 （所有 .o 文件 -> a.out 文件）

• a.out文件包含以下部分：

1. 文件头：文件头包含a.out文件的加载信息和大小，其中
   • tsize = 代码段大小
   • dsize = 包含初始化全局变量和初始化静态局部变量的数据段的大小
   • bsize = 包含未初始化全局变量和未初始化静态局部变量的bss段的大小
   • total_size = 加载的 a.out 文件的总大小
2. 代码段：也称正文段，其包含程序的可执行代码。代码段从标准C启动代码 crt0.o 开始，该代码调用main()函数。
3. 数据段：数据段包含初始化全局变量和初始化静态变量。
4. 符号表：可选，仅为运行调试所需。

• 程序执行过程

在类Unix操作系统中，在sh命令行 a.out one two three 执行 a.out 文件。

2. 64位GCC中的运行时堆栈使用情况（使用教材上代码2.4.3 ）

（1）t.c文件中包含一个main()函数，调用一个sub()函数：

（2）在64位Linux中，编译 t.c 生成64位汇编的 t.s 文件：

然后，编辑 t.s 文件，删除编译器生成的非必要行，并添加注释来解释代码操作，如下：

点击查看代码

#====== t.s file generated by 64-bit GCC compiler ======
	.globl	sub
sub:		   # int sub(int a,b,c,d,e,f,g,h)

# first 6 parameters a,b,c,d,e,f are in registers
#			rdi,rsl,rdx,rcx,r8d,r9d
# 2 extra parameters g,h are on stack.
# Upon entry, stack top contains g,h
#   ------------------------------------
#   ... ...| h | g | PC |    LOW address
#   -----------------|------------------
#			rsp
# establish stack frame	
	pushq	%rbp
	movq	%rsp, %rbp
# no need to shift rsp down because each function has a 128 bytes
# reserved stack area.
# rsp will be shifted down if function define more locals

# save first 6 parameters in registers on stack
	movl	%edi, -20(%rbp)	# a
	movl	%esi, -24(%rbp)	# b
	movl	%edx, -28(%rbp)	# c
	movl	%ecx, -32(%rbp)	# d
	movl	%r8d, -36(%rbp)	# e
	movl	%r9d, -40(%rbp)	# f
	
# access locals u,v,w at rbp -4 to -12
	movl	$9, -12(%rbp)
	movl	$10, -8(%rbp)
	movl	$11, -4(%rbp)
	
# compute x+g+u+v:
	movl	-20(%rbp), %edx
	movl	16(%rbp), %eax
	addl	%eax, %edx
	movl	-12(%rbp), %eax
	addl	%eax, %edx
	movl	-8(%rbp), %eax
	addl	%edx, %eax
	
# did not shift  rsp down , so just pspQ to restore rbp
	popq	%rbp
	ret
	
#====== main function code in assembly ======
	.globl	main
	.type	main, @function
main:
# establish stack frame	
	pushq	%rbp
	movq	%rsp, %rbp
	
# shift rsp down 48 bytes for locals
	subq	$48, %rsp
	
# locals are at rbp -4 to -32
	movl	$1, -36(%rbp)	# a = 1
	movl	$2, -32(%rbp)	# b = 2
	movl	$3, -28(%rbp)	# c = 3
	movl	$4, -24(%rbp)	# d = 4
	movl	$5, -20(%rbp)	# e = 5
	movl	$6, -16(%rbp)	# f = 6
	movl	$7, -12(%rbp)	# g = 7
	movl	$8, -8(%rbp)	# h = 8
	
# call sub(a,b,c,d,e,f,g,h): first 6 parameters in registers
	movl	-16(%rbp), %r9d	# f in r9
	movl	-20(%rbp), %r8d # e in r8
	movl	-24(%rbp), %ecx # d in ecx
	movl	-28(%rbp), %edx # c in edx
	movl	-32(%rbp), %esi # b in esi
	movl	-36(%rbp), %eax # a in eax but will be in edi
	
# push 2 extra parameters h,g on stack
	movl	-8(%rbp), %edi	# int h in edi
	pushq	%rdi		#pushQ rdi ; only low 32-bits = h
	movl	-12(%rbp), %edi	# int g in edi
	pushq	%rdi		#pushQ rdi ; low 32-bits = g
	
	movl	%eax, %edi	# parameter a in edi
	call	sub		# call sub(a,b,c,d,e,f,g,h)
	
	addq	$16, %rsp	# pop stack: h,g, 16 bytes
	movl	%eax, -4(%rbp)	# i=sub return value in eax
	
	movl	$0, %eax	#return 0 to crt0.o
	leave
	ret

# GCC compiler version 11.2.0
	.ident	"GCC: (Ubuntu 11.2.0-19ubuntu1) 11.2.0"

3. C语言程序与汇编代码的链接

（1）用汇编代码编程(使用教材上代码2.5.1 )：

cc -m32 -S a.c ==> a.s file
gcc -E name.c -o name.i 预编译过程，从.c到.i;
gcc -S name.i -o name.s 编译，将预处理的C代码转化为汇编码；
gcc -C name.s -o name.o 转换为机器码

（2）用汇编语言实现函数(使用教材上代码2.5.2 )：

<1>示例2.3：

<2>示例2.4：

3.Makefile

（1）make程序(使用教材上代码2.7.2 ，书上代码有错误！！！)：

（2）makefile示例：

1. 创建一个名为mkl的makefile，包括：
   
2. 使用mkl作为makefile运行make：
   
3. 再次运行make命令，会显示： “myt”已是最新
4. 相反，如果依赖项列表中的任何文件有更改，make将再次执行rule命令。

（3）makefile中的宏：

1. 创建一个叫mk2的makefile，包括：
   
2. 以mk2作为makefile运行make：
   
3. 按前面一样运行生成的二进制可执行文件myt

4.链接库（参考：https://blog.csdn.net/wohu1104/article/details/110789570 ）

• 创建4个文件：

（1）静态链接库：

• 创建静态链接库

1. 将所有指定的源文件，都编译成相应的目标文件

gcc -c greeting.c name.c

2. 然后使用 ar 压缩指令，将生成的目标文件打包成静态链接库，其基本格式如下：

ar rcs 静态链接库名称 目标文件1 目标文件2 ...

重点说明的是，静态链接库的不能随意起名，需遵循如下的命名规则：

libxxx.a

Linux 系统下，静态链接库的后缀名为 .a；
Windows 系统下，静态链接库的后缀名为 .lib；

ar rcs libmyfunction.a greeting.o name.o

• 使用静态链接库

1. 首先我们将 main.cpp 文件编译为目标文件：

gcc -c main.c

2. 在此基础上，我们可以直接执行如下命令，即可完成链接操作：

gcc -static main.o -L. -lmyfunction

3. 由此，就生成了 a.out 可执行文件：

./a.out

（2）动态链接库：

• 创建动态链接库

1. 直接使用源文件创建动态链接库，采用 gcc 命令实现的基本格式如下：

gcc -fpic -shared 源文件名... -o 动态链接库名

其中，

• shared 选项用于生成动态链接库；
• fpic（还可写成 -fPIC）选项的功能是，令 GCC 编译器生成动态链接库（多个目标文件的压缩包）时，表示各目标文件中函数、类等功能模块的地址使用相对地址，而非绝对地址。这样，无论将来链接库被加载到内存的什么位置，都可以正常使用。

例如，将前面项目中的 greeting.c 、name.c 这 2 个源文件生成一个动态链接库，执行命令为：

gcc -FPIC -shared greeting.c name.c -o libmyfunction.so

2. 先使用 gcc -c 指令将指定源文件编译为目标文件，再由目标文件生成动态链接库

gcc -c -FPIC greeting.c name.c

在此基础上，接下来利用上一步生成的目标文件，生成动态链接库：

gcc -shared greeting.o name.o -o libmyfunction.so

• 使用动态链接库
  执行如下指令，即可借助动态链接库成功生成可执行文件：

gcc main.c libmyfunction.so -o main

注意，生成的可执行文件 main 通常无法直接执行，例如：

运行由动态链接库生成的可执行文件时，必须确保程序在运行时可以找到这个动态链接库。常用的解决方案有如下几种：

1. 将链接库文件移动到标准库目录下（例如 /usr/lib、/usr/lib64、/lib、/lib64）；
2. 在终端输入：

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:xxx

其中 xxx 为动态链接库文件的绝对存储路径（此方式仅在当前终端有效，关闭终端后无效）；
3. 修改 ~/.bashrc 或 ~/.bash_profile 文件，即在文件最后一行添加：

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:xxx

其中 xxx 为动态链接库文件的绝对存储路径，保存之后，执行 source bashrc 指令（此方式仅对当前登陆用户有效）。

在本示例中采用第二种方案，即在终端输入

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/ycy

即可使 main 成功执行。