apue学习笔记（第一章UNIX基础知识）

总所周知，UNIX环境高级编程是一本很经典的书，之前我粗略的看了一遍，感觉理解得不够深入。

听说写博客可以提高自己的水平，因此趁着这个机会我想把它重新看一遍，并把每一章的笔记写在博客里面。

我学习的时候使用的平台是Windows+VMware+debian，使用secureCRT来连接（可以实现多个终端连接）。

因为第一章是本书大概的描述，所以第一章的我打算写得详细一点，而且书本的原话占的比例会比较多，重点的东西会用粗体显示出来。

1.1  引言

所有操作系统都为他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、分配存储区以及获取当前时间等，

本书集中阐述不同版本的UNIX操作系统所提供的服务。

本章会简要的介绍UNIX提供的各种服务，在以后的各章中将对这些概念做更详细的说明。

1.2  UNIX体系结构

从严格意义上说，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。我们通常将这种软件称为内核。

下图显示了UNIX系统的体系结构，其它部分下面会逐个讲到。

1.3  登录

1 登录名

用户在登录UNIX系统时，先键入登录名，然后键入口令。系统在其口令文件（通常是/etc/passwd文件）中查看用户名。

2 shell

用户登录后，系统通常先显示一些系统信息，然后用户就可以向shell程序键入命令。

shell是一个命令行解释器，它读取用户输入，然后执行命令。

1.4  文件和目录

1 文件系统

UNIX文件系统是目录和文件的一种层次结构，所有东西的起点都是根的目录，这个目录名称是一个字符“/”。

目录是一个包含目录项的文件，可以认为每个目录项都包含一个文件名，同时还包含该文件属性的信息(ls -l可以查看)。第四章会详细说明文件的各种属性。

2 文件名

目录中的各个名字成为文件名，创建目录时会自动创建两个文件名：.(当前目录)和..(父目录)   (可见为什么 cd .. 会回到父目录)

3 路径名

已斜线开头的路径名称成为绝对路径名（可以理解为以根目录开头的相对路径名），否则为相对路径名。

不难列出一个目录中所有文件的名字，下面是ls(1)命令的简要实现。

其中apue.h可以通过网上下载，http://blog.csdn.net/istruth/article/details/44201827有下载地址和使用的方法，后面章节会详细的给出下列函数的用法。

#include "apue.h"
#include <dirent.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
    DIR *dp;
    struct dirent *dirp;
    if(argc!=2)
        err_quit("usage:ls directory_name");
    if((dp=opendir(argv[1]))==NULL)
        err_sys("can't open %s",argv[1]);
    while((dirp=readdir(dp))!=NULL)
        printf("%s
",dirp->d_name);
    closedir(dp);
    exit(0);
}

可以使用gcc编译该文件  执行命令cc myls.c进行编译   会生成a.out文件  执行./a.out命令来运行  (./代表当前目录，如果不指定，系统会在环境变量中设置的路径中找可执行文件)

4  工作目录

每个进程都有一个工作目录，有时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，该起始目录从口令文件中相应用户的登录项中取得。

1.5  输入与输出

1 文件描述符

文件描述符通常是一个小的非负整数，用来标识一个特定进程正在访问的文件。当内核打开一个现有文件或创建一个新文件时，

它都返回一个文件描述符，可以通过这个文件描述符进行读写文件。

2  标准输入、标准输出和标准错误

每当运行一个新程序时，所有的shell都为其打开3个文件描述符，即标准输入(0)、标准输出(1)和标准错误(2)，如果不做特殊处理，

则这3个描述符都链接到终端。

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

下面程序展示了如何复制UNIX下的普通文件

#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);
}

大多数shell都提供一种方法，使其中任何一个或所有这3个描述符都能重定向到某个文件。例如ls > file.list 可以将ls的输出(标准输出 文件描述符为1)重定向到名为file.list的文件。

如下执行上面的程序： ./a.out > data 可以把程序的标准输出重定向到文件data   ./a.out < infile > outfile 把程序的标准输入重定向到infile  把标准输出重定向到outfile，实现了文件的复制。

4  标准I/O

标准I/O 为那些不带缓冲的I/O函数提供了一个带缓冲的接口，下面演示使用标准I/O复制UNIX文件

#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);
}

1.6 程序与进程

1 程序

程序是一个存储在磁盘上某个目录中的可执行文件

2 进程和进程ID

程序的执行实例被称为进程，UNIX系统确保每个进程都有一个唯一的数字标识符，称为进程ID。进程ID总是一个非负整数

下面程序用于打印进程ID

#include "apue.h"

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

3 进程控制

有3个用于进程控制的主要函数：fork、exec和waitpid。

UNIX系统的进程控制功能可以用一个简单得程序说明，下面程序从标准输入读取命令，然后执行命令，类似于shell程序的基本实施部分。

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


int main(void)
{
    char buf[MAXLINE];
    pid_t pid;
    int status;
    printf("%% ");
    while(fgets(buf,MAXLINE,stdin)!=NULL)
    {
        if(buf[strlen(buf)-1]=='
')
            buf[strlen(buf)-1]=0;
        if((pid=fork())<0)
            err_sys("fork error");
        else if(pid==0)
        {
            execlp(buf,buf,(char *)0);
            err_ret("couldn't execute:%s",buf);
            exit(127);
        }
        if((pid=waitpid(pid,&status,0))<0)
            err_sys("waitpid error");
        printf("%% ");
    }
    exit(0);
}

4  线程和线程ID

与进程相同，线程也用ID标识。但是，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，而且整形变量errno通常被设置为具有特定信息的值。

文件<error.h>中定义了error以及可以赋予它的各种常量。

C标准定义了两个函数，用于打印出错信息

#include <string.h>
char *strerror(int errnum);

strerror函数将errnm(通常就是error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 <stdio.h>
void perror(const char *msg);

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

下面程序显示这两个出错函数的使用方法

#include "apue.h"
#include <errno.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
    fprintf(stderr,"EACCES:%s
",strerror(EACCES));
    errno=ENOENT;
    perror(argv[0]);
    exit(0);
}

1.8  用户标识

1 用户ID

用户ID是一个数值，用来确定一个用户。用户ID为0为根用户或超级用户，超级用户对系统有自由的支配权。

2 组ID

组ID是由系统管理员在指定用户登录名时分配的，可以把多个用户分成一组。

下面程序用于打印用户ID和组ID

#include "apue.h"

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

3 附属组ID

除了在口令文件中对一个登录名指定一个组ID之外，大多数UNIX系统版本还允许一个用户属于另外一些组。

1.9 信号

信号用于通知进程发生了某种情况。例如，若某一进程执行除法操作，其除数为0，则将名为SIGFPE(浮点异常)的信号发送给进程。

进程有以下3种处理信号的方式：

1 忽略信号

2 按系统默认方式处理

3 提供一个函数，信号发生时调用该函数，这被称为捕捉该信号。

终端键盘上有两种产生信号的方法，分别称为中断键(通常是Delete或Ctrl+C)和退出键(通常是Ctrl+)

修改之前的shell实例，使程序可以捕获SIGINT信号，我们会在第10章详细的介绍信号。

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

static void sig_int(int);

int main(void)
{
    char buf[MAXLINE];
    pid_t pid;
    int status;
    if(signal(SIGINT,sig_int)==SIG_ERR);
                err_sys("signal error");
    printf("%% ");
    while(fgets(buf,MAXLINE,stdin)!=NULL)
    {
        if(buf[strlen(buf)-1]=='
')
            buf[strlen(buf)-1]=0;
        if((pid=fork())<0)
            err_sys("fork error");
        else if(pid==0)
        {
            execlp(buf,buf,(char *)0);
            err_ret("couldn't execute:%s",buf);
            exit(127);
        }
        if((pid=waitpid(pid,&status,0))<0)
            err_sys("waitpid error");
        printf("%% ");
    }
    exit(0);
}
void sig_int(int signo)
{
        printf("interrupt
%%");
}
    

1.10  时间值

历史上，UNIX系统使用过两种不同的时间值

1 日历时间。该值是从1970年1月1日00:00:00这个特定时间以来所经过的秒数的累计值。

2 进程时间。也被称为CPU时间

   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  即进程运行的时间总量，其值与系统中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  执行系统调用的时间

1.11 系统调用和库函数

系统调用提供的函数如open, close, read, write, ioctl等，系统调用发生在内核空间

标准C库函数提供的文件操作函数如fopen, fread, fwrite, fclose, fflush, fseek等属于库函数，底层也是通过系统调用来实现的