UNIX基础知识

严格意义上，操作系统也是一种软件，它控制计算机硬件资源，提供程序运行环境；我们称此为内核（kernel），其相对较小，位于软件运行环境的中心。

内核的接口被成为系统调用（system call）。

公用函数库构建在系统调用接口之上。

应用程序既可使用公用函数库，也可以直接使用系统调用。而 shell 是一种特殊的应用程序，为运行其他应用程序提供了一个接口。

登录

用户登录系统时，系统在口令文件（通常是 /etc/passwd）中查看登录名。

口令文件中的登录项由7个以冒号分隔的字段组成，分别是：登录名、加密口令、数值用户 ID 、数值组 ID、注释字段、起始目录（/home/xxx）以及shell程序（/bin/xxsh）。

当然，也有系统将加密口令移到另一个文件中，并提供相应的访问函数。

shell

用户登录后，系统会启动一个 shell 程序，使用户可以键入命令。shell 是一个命令行解释器，读取输入，然后执行命令。用户可以用终端（交互式 shell），或通过文件（shell 脚本）进行输入。

系统常见的 shell 有：Bourne shell（/bin/sh）、Bourne-again shell（/bin/bash）、C shell（/bin/csh）、Korn shell（/bin/ksh）、Tenex C shell（/bin/tcsh）。其中，Bourne-again shell 是 GUN shell ，所有 Linux 系统都提供这种 shell ，其被设计成遵循 POSIX 。

系统从口令文件中相应用户登录项的最后一个字段（shell 程序）中了解到为该用户执行的 shell 。

文件系统

UNIX文件系统是目录和文件组成的层次结构，目录的起点为根（root），其名字是字符 / ；目录（directory）是一个包含许多目录项的文件，每个目录项都包含一个文件名，同时还包含说明该文件属性的信息。

文件属性是指文件类型（普通股文件还是目录）、文件大小、文件所有者、文件权限以及文件最后的修改时间等。stat 和 fstat 函数返回包含所有文件属性的信息结构。不过，目录项的逻辑视图和实际存放在磁盘的方式是不同的，文件系统的大多数实现并不在目录项中存放属性。

文件名中不能出现的字符有斜线（/）和空操作符（null）两个；其中斜线用来分隔构成路径名的文件名，空操作符用来终止一个路径名。而好的习惯是，只使用印刷字符的一个子集作为文件名字符；可以有效减少在 shell 由于使用了特殊字符而必须使用引号机制来引用文件名的麻烦。

目录中有两个文件名会被自动创建： . （称为点）和 .. （称为点-点）。其中 . 指当前目录， .. 指父目录；而根目录中， .. 和 .相同。

路径名是一个或多个以斜线分隔的文件名序列；以斜线开头的路径名为绝对路径名（absolute pathname），否则称为相对路径名（relative pathname）。

每个进程都有一个工作目录（working directory），也称为当前工作目录（current working directory）。相对路径名都从工作目录开始解析，可以用 chdir 函数更改其工作目录。登录时，工作目录设置为起始目录（home directory），系统在登录时从口令文件中用户的相应登录项中获取。

输入输出

文件描述符（file descriptor）是一个很小的非负整数，内核用来标识特定进程正在访问的文件。

系统运行一个新程序时， shell 都为其打开三个文件描述符：标准输入（standard input）、标准输出（standard output）和标准出错（standard error）。如果没有特殊处理，三个描述符都链向终端。STDIN_FILENO 和 STDOUT_FILENO 定义在头文件中，它们指定着标准输入和标准输出的文件描述符。

函数 open、read、write、lseek 和 close 提供了不用缓冲的 I/O ，这些函数在头文件中声明。

标准 I/O 函数提供了一种对不用缓冲 I/O 函数的带缓冲的接口。使用这类函数，无需担心如何选择最佳的缓冲区大小；并且简化了对输入行的处理。标准 I/O 函数中，printf 函数在头文件中声明，而EOF（文件结束符）、stdin（标准输入常量）、stdout（标准输出常量）等常量也在此头文件中定义。

程序和进程

程序（program）是存放在磁盘、处于某个目录中的可执行文件；使用6个 exec 函数中的一个将程序读入存储器，并使其执行。

程序的执行实例被称为进程（process）。每个进程都有一个唯一的数字标识符，称为进程 ID（process ID）；可以调用 getpid 函数得到进程ID。有三个用于进程控制的主要函数：fork、exec、waitpid。

通常一个进程只有一个控制线程（thread），而同一时间只执行一组机器指令。多线程能充分利用多处理器系统的并发性。在一个进程内，所有线程共享同一地址空间、文件描述符、栈以及与进程相关的属性。线程也用 ID 标识，但线程 ID 只在所属的进程内起作用。

出错处理

当 UNIX 函数出错时，尝尝返回一个负值；而整形变量 errno 通常被设置为含有附加信息的值，其中头文件中定义了符号 errno 以及可以赋予它的各种常量（常以字符 E 开头）。而返回指向对象指针的大多数函数，出错时返回一个 null 指针。

在支持线程的环境中，多个线程共享进程地址空间，每个线程都有属于自己的局部 errno ，以避免线程间的互相干扰。

函数不会（也不应当）将 errno 设置为 0；而如果没有出错，则其指不会被一个线程清除，此时返回值无意义。

strerror 函数可以将 errno 值映射为一个出错信息字符串，并返回此字符串的指针。perror 函数基于errno的当前值，在标准出错上产生一条出错信息。

出错可以分为致命性和非致命性的两类。对于致命性错误，无法执行恢复动作，只能打印出错信息或者写入日志；对于非致命性错误，有时候可以妥善处理。与资源先关的非致命性出错包括，ENGAIN、ENFILE、ENOBUFS、ENOLCK、ENOSPC、ENOSR、EWOULDBLOCK。

用户标识

用户 ID（user ID）是系统标识各个不同的用户的数值。用户 ID 为 0 的用户为根（root）或超级用户（superuser）。

用户的组 ID（group ID）是系统标识不同用户组的数值。组文件将组名映射为组 ID，通常是 /ect/group。

对于磁盘上的每个文件，文件系统都存放该文件所有者的用户 ID 和组 ID。

口令文件包含了登录名和用户 ID 之间的映射关系，而组文件包含了组名和组 ID 之间的映射关系。

调用 getuid 函数和 getgid 函数可以返回用户 ID 和组 ID。

除了在口令文件中登录名指定一个组 ID 外，大多数 UNIX 系统还允许用户属于多至16个另外的组。

用户登录时，系统读组文件，寻找列有该用户作为成员的前16个记录项就可以得到该用户的附加组 ID（supplementary group ID）。

信号

信号（signal）是通知进程已发生某种情况的一种技术。

进程处理信号有三种选择：（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，这个过程称为捕捉信号。

终端键盘上有两种产生信号的方法，分别称为中断键（interrupt key，通常是 Delete 键或 Ctrl+C）和退出键（quit key，通常是 Ctrl+\），被用来中断当前运行的进程。

调用 kill 函数，也可以产生信号，但是向一个进程发送信号时，登录用户必须是该进程的所有者或者是超级用户。

时间值

UNIX 系统一直使用两种不同的时间值：

• 日历时间。该值是自1970年1月1日00:00:00以来国际标准时间（UTC）所经过的秒数累计值，主要用来记录文件最近一次的修改时间等。系统基本数据类型 time_t 用于保存这种时间值。
• 进程时间，也被称为 CPU 时间。该值用来度量进程所使用的CPU资源，以时间滴答计算，每秒钟为50、60或100个滴答。系统基本数据类型 clock_t 用于保存这种时间值。运用 sysconf 函数可以得到每秒时钟滴答数。

当度量一个进程的执行时间时，UNIX 系统使用三个进程时间值：

• 时钟时间，又称为墙上时钟时间（wall clock time），是进程运行的时间总量，其值与系统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。
• 系统 CPU 时间，为该进程执行内核程序所经历的时间。

其中，用户 CPU 时间和系统 CPU 时间之和为 CPU 时间。

要取得进程的时钟时间、用户时间和系统时间，需要执行命令 time，其参数是需要进行度量执行时间的命令。

系统调用

操作系统提供的服务入口，以便于程序向内核请求服务，这些入口点被称为系统调用。

UNIX 为每个系统调用在标准 C 库中设置一个具有相同名字的函数；用户进程用标准 C 调用序列来调用这些函数，函数用系统所要求的技术调用相应的内核服务。从应用角度考虑，可以将系统调用视为 C 函数。在这一点上将，系统调用和库函数有着一定的重叠。

但那是库函数中有很多通用函数，虽然这些函数可能调用一个或多个系统调用实现，但是并不是内核的入口点。由此可见，系统调用通常提供一种最小接口，而库函数通常提供较复杂的功能。

从实现上可以看出，必要时我们可以替换库函数，但是无法替换系统调用。