APUE（1）----UNIX基础知识

一、UNIX体系结构

　　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、分配存储区等。严格意义上来说，操作系统可以定义为一种软件，它控制计算机硬件资源，提供程序运行环境。我们也将这种软件成为内核，因为它相对较小，并且位于环境的核心。内核的接口被称为系统调用。公共函数库构建在之上，普通的应用程序可以调用系统调用，也可以调用公共函数库。shell是一个特殊的应用程序，位运行其他应用程序提供了一个接口。

二、文件和目录

1.文件系统

　　UNXI文件系统是目录和文件的一种层次结构，所有东西的起点称为根（root）的目录，这个目录的名称是一个字符“/”。目录是一个包含目录项的文件，由文件名和文件属性（文件类型、文件大小、文件所有者、文件权限等）组成。这里需要注意的是逻辑视图和实际存放在磁盘上的方式是不同的。UNIX文件系统的大多数实现并不在目录项中存放属性，这是因为当一个文件具有多个硬链接时，很难保持多个属性副本之间的同步。

2.文件名和路径名

　　创建新目录时会自动创建两个文件名：“.”指向当前目录，“..”指向父目录，在最高层次，二者指向相同。由斜线分隔的一个或多个文件名组成的序列构成路径名，以斜线开头的路径名称为绝对路径名，否则称为相对路径名。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<dirent.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
        DIR           *dp;
        struct dirent *dirp;

        if(2 != argc)
        {
                printf("usage: ls directory_name
");
                return -1;
        }

        if(NULL == (dp = opendir(argv[1])))
        {
                printf("can't open %s
", argv[1]);
                return -1;
        }

        while(NULL != (dirp = readdir(dp)))
        {
                printf("%s
", dirp->d_name);
        }

        closedir(dp);
        exit(0);
}

1-1：列出一个目录中的所有文件

3.工作目录和起始目录

　　每个进程都有一个工作目录，所有相对路径名都从工作目录开始解释，进程可以用chdir函数更改其工作目录。登陆时，工作目录设置为起始目录，这个目录是从口令文件中相应用户的登录项中获取的。

三、输入和输出

1.文件描述符

　　文件描述符通常是一个小的非负整数，内核用以标识一个特定进程正在访问的文件。当内核打开一个先用文件或创建一个新文件时，它都返回一个文件描述符，在读写文件时，可以使用这个文件描述符。按惯例，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、标准输出以及标准错误，如果不做特殊处理，这三个文件描述符都链接向终端。

2.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。

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.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)
                {
                        printf("write error.
");
                        return -1;
                }
        }

        if(n > 0)
        {
                printf("read error.
");
                return -1;
        }

        exit(0);
}

1-2：将标准输入复制到标准输出

注释：1.头文件<unistd.h>包含了很多UNIX系统服务的函数原型，STDID_FILENO/STDOUT_FILENO，以及read/write都定义在其中。2.read函数返回其读取到的字节数，当发生错误时，read返回-1；3输入ctrl+D作为文件结束符，终止程序；

3.标准I/O

　　标准I/O函数为那些不带缓冲I/O函数提供了一个带缓冲的接口。使用标准I/O函数无需担心如何选取最佳的缓冲区大小，不用像上例那样需要定义BUFFSIZE。并且还简化了对输入行的处理。

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main(void)
{
        int c;
        while((c = getc(stdin)) != EOF)
        {
                if(putc(c, stdout) == EOF)
                {
                        printf("output error.
");
                        return -1;
                }
        }

        if(ferror(stdin))
        {
                printf("input error.
");
        }

        exit(0);
}

1-3：用标准I/O将标准输入复制到标准输出

四、程序和进程

1.程序、进程和进程ID

　　程序是一个存储在磁盘上某个目录中的可执行文件。内核使用exec函数将程序读入内存，并执行程序。程序的执行实例称为进程，每一个进程都有一个唯一的数字标识符，被称为进程ID（非负整数）。

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

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

1-4：打印进程ID

2.进程控制

　　进程控制主要函数：fork、exec和waitpid。

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>

#define MAXLINE 1024

int main(void)
{
        char  buff[MAXLINE];
        pid_t pid;
        int   status;

        printf("%% ");

        while(NULL != (fgets(buff, MAXLINE, stdin)))
        {
                if('
' == buff[strlen(buff) - 1])
                {
                        buff[strlen(buff) - 1] = 0;
                }

                if(0 > (pid = fork()))
                {
                        printf("fork error
");
                        return -1;
                }
                else if(0 == pid)
                {
                        execlp(buff, buff, (char *) 0);
                        printf("couldn't execute:%s
", buff);
                        return -1;
                }

                if(0 > (pid == waitpid(pid, &status, 0)))
                {
                        printf("wait pid error
");
                }

                printf("%% ");
        }
}

1-5：从标准输入读命令并执行

注释：1.fgets是一个标准I/O函数，一次读取一行。和read的区别在于自己管理缓冲区，不返回读取的长度，在读取的末尾加入" "。而execlp要求参数以null结束，所以需要进行替换；2.fork调用一次，返回两次，在子进程中返回0，父进程返回子进程PID；3.execlp以执行从标准输入读取的命令，这就用新的程序文件替换了子进程原先执行的程序文件；4.父进程和子进程同步是通过waipid实现的。

3.线程和线程ID

　　一个进程内的所有线程共享同一地址空间、文件描述符、栈以及与进程相关的属性。因为他们能访问同意存储区，所以各线程在访问共享数据时需要采取同步措施以避免不一致性。和进程ID相同， 线程也有ID，但是线程ID只在它所属的进程内其作用。

五、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。对于errno应当注意两条规则：1.如果没有出错，其值不会被例程清楚，因此，仅当函数的返回值指明出错时，才检验其值；2.任何函数都不会将errno值设为0.

#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<stdio.h>
#include<errno.h>

int main(int argc, char * argv[])
{
        fprintf(stderr, "EACCES: %s
", strerror(EACCES));

        errno = ENOENT;
        perror(argv[0]);
        exit(0);
}

1-6:例示strerror和perror

注释：1.我们将程序名（argv[0]）作为参数传递给main，这是一个标准的UNIX惯例。
六、用户标识

　　口令文件登录项中的用户ID是一个数值，它向系统标识不同的用户。根用户的ID为0.

#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>

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

1-7:打印用户ID和组ID

七、信号

　　信号（signal）用于通知进程发生了某种情况。进程有以下三种处理方式：1.忽略信号；2.按系统默认方式处理；3.提供一个函数。该信号发生时调用该函数。当向一个进程发送信号时，我们必须是那个进程的所有者或者是超级用户。

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>

#define MAXLINE 1024

static void sig_int(int);

int main(void)
{
    char  buff[MAXLINE];
    pid_t pid;
    int   status;

    if(signal(SIGINT, sig_int) == SIG_ERR)
    {
        printf("signal error
");
        return -1;
    }


    printf("%% ");

    while(NULL != (fgets(buff, MAXLINE, stdin)))
    {
        if('
' == buff[strlen(buff) - 1])
        {
            buff[strlen(buff) - 1] = 0;
        }
        
        if(0 > (pid = fork()))
        {
            printf("fork error
");
            return -1;
        }
        else if(0 == pid)
        {
            execlp(buff, buff, (char *) 0);
            printf("couldn't execute:%s
", buff);
            return -1;
        }

        if(0 > (pid == waitpid(pid, &status, 0)))
        {
            printf("wait pid error
");
        }
        
        printf("%% ");
    }

}

void sig_int(int signo)
{
    printf("interrupt 
%% ");
}

1-8：从标准输入读命令并执行

八、时间值

　　UNIX系统为一个进程维护了3个进程时间值：1.时钟时间：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；2.用户CPU时间：执行用户指令所用的时间量；3.系统CPU时间:为该进程执行内核程序所经历的时间。2和3之和又称为CPU时间。

九、系统调用和库函数

　　从实现者的角度来看，系统调用和库函数之间有根本的区别，但从用户的角度来看，其区别不重要。用户可以替换库函数，但是不能替换系统调用。并且系统调用通常提供一种最小接口，而库函数通常提供比较复杂的功能。