20191226刘煊赫学习笔记

一、知识点归纳

第一章：引言

1. 系统编程课程的目的：

（1）教授学生计算机系统软件方面的广博知识以及高级编程技巧，使其能够与操作系统内核交互，从而有效利用系统资源来开发应用软件；

（2）为学生打下扎实的专业基础，以便在操作系统、嵌入式系统、数据库系统、数据库系统、数据挖掘、人工智能、计算机网络、网络安全、分布式和并行计算等计算机科学/工程领域继续深造。

1. 系统编程的作用

   系统编程是计算机科学和计算机工程教育不可或缺的一部分。

1. 关于Unix

   概念：Unix是一种通用操作系统，诞生于20世纪70年代早期，由肯·汤姆森和丹尼斯·里奇开发。

   分类：AT&T Unix、Berkeley Unix、HP Unix、IBM Unix、Sun Unix

   下面是对各种Unix系统的介绍：

名称	介绍	总结
AT&T Unix	20世纪80年代末，由美国电话电报公司开发，最终发布了AT&T System V Unix。System V Unix是一个单处理器系统，在20世纪80年代后期，该系统被拓展为多处理器版本。	可以看出，大多数Unix系统都是专有的，并且与特定的硬件平台相关联。
Berkeley Unix	指1977年至1985年间由加州大学伯克利分校的伯克利软件发行中心开发的一组Unix操作系统变体。BSD Unix最重要的贡献是实现了TCP/IP协议族和套接字接口，作为一种标准的组网方式。
HP Unix	由惠普公司开发的专有Unix操作系统，第一版发布于1984年。HP-UX的独特功能包括可代替Unix标准rwx文件权限的用于大型文件系统和访问控制表的内置逻辑卷管理器。
IBM Unix	AIX是IBM为其多个计算机平台开发的一系列专有Unix操作系统。AIX最初是为IBM 6150 RISC工作站而开发，现可支持各种硬件平台。
Sun Unix	最初是Sun公司开发的一款Unix操作系统。自2010年1月起，该系统更名为Oracle Solaris。Solaris以其可拓展性而闻名，特别是在SPARC系统上。它支持由Oracle和其他供应商提供的各种基于SPARC和基于x86的工作站和服务器。

1. 关于Linux

   定义：Linux是一个类Unix系统。它最初是林纳斯·托瓦兹在1991年为基于Intel x86的个人计算机开发的一个实验性内核。Linux的一个重要里程碑发生在20世纪90年代末，当时，它与GUN相结合，纳入了许多GUN软件，如GCC编辑器、GNU emacs编辑器和bash等，极大地促进了Linux的进一步发展。 Linux包含其他Unix系统的许多特性。在某种意义上，它是由各种最为流行的Unix系统组合而成。在很大程度上，Linux是兼容POSIX标准的。

   版本：Debian Linux、Ubuntu Linux、Linux Mint、基于RPM的Linux、Slackware Linux

   下面是对各类Linux系统的介绍：

名称	介绍
Debian Linux	Debian是专注于免费软件的Linux发行版，可支持很多软件平台。Debian发行版采用.deb包格式和dgpk包管理器及其前端。
Ubuntu Linux	Ubuntu是基于Debian的Linux发行版，有多个官方发行版。
Linux Mint	Linux Mint是基于Debian 和Ubuntu的社区主导型Linux发行版。
基于RPM的Linux	Red Hat Linux和SUSE Linux 是最早使用RPM文件格式的主要发行版，目前仍有一些软件包管理系统在使用这些格式。
Slackware Linux	Slackware Linux发行版以高度可定制而著称，专注于通过尖端的软件和自动化工具来提供维护便捷性和可靠性。

   

1. Linux使用

（1）Linux内核映像

        在典型的Linux系统中，Linux内核映像位于/boot目录中。可启动的Linux内核映像名为 vmlinuz-generic-VERSION_NUMBER，initrd是Linux内核的初始ramdisk映像。一个可启动的Linux内核的初始ramdisk映像。

        一个可启用的Linux内核映像由三部分组成：|BOOT|SETUP|linux kernel|

1. Unix/Linux文件系统组织

   Unix/Linux文件系统采用树形组织结构

文件类型分为两种，分别是目录文件以及非目录文件，非目录文件、符号链接文件。

   目录文件：一个目录可能包含其他目录和（非目录）文件。

   非目录文件：非目录文件可以进一步划分为常规文件、特殊文件（字符特殊文件、块特殊文件）。

（1）常规文件：包含普通文本或包含可执行的二进制代码。

（2）特殊文件：特殊文件时/dev目录中的条目。

符号链接文件：属于常规文件，其内容为其他文件的路径名。因此，这些文件是指向其他文件的指针。例如，Linux命令  ln -s aVeryLongFileName myLink，可创建一个符号链接文件“myLink”，指向“aVeryLongFileName”。

Unix/Linux文件系统树的根节点（用“/”符号表示）称为根目录，或简称为根。文件系统树的每个结点都有以下表单的路径名指定：

/a/b/c/d OR a/b/c/d

以“/”开头的路径名为绝对路径名，反之则为相对于进程当前工作目录（CWD）的相对路径名。

pwd可以打印CWD的绝对路径名

1. Unix/Linux命令

   下面列出了Unix/Linux中最常用的命令：

    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 .：从当前目录创建压缩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：讲问价压缩为.zip文件

unzip file.zip：解压.zip文件

1. Linux手册页

    

9.  Ubuntu Linux系统管理

（1）用户账户：当用户使用登录名和密码登录后，登录进程将通过获取用户的gid和uid来转换成用户进程，并将目录更改为用户的homeDir，然后执行列出的initialProgram，该程序通常为命令解释程序sh。

（2）sudo命令：在Ubuntu里，sudo（“超级用户执行”）允许用户以另一个用户（通常是超级用户）的身份执行命令，为确保用户能够发出sudo，只需在sudoers文件中添加一行：username ALL（ALL） ALL。

第二章：编程背景

1. Linux中的文本编辑器

（1）Vim

     Vim是Linux的标准内置编辑器。它是Unix原始默认vi编辑器的改进版本。与其他大多数编辑器不同，vim有3种不同的操作模式，分别是命令模式、插入模式、末行模式。

下面介绍一下这三种模式：

命令模式：用于输入命令

插入模式：用于输入和编辑文本

末行模式：用于保存文件并退出

移动光标的命令键：

h 左移一个字符 l：右移一个字符

j：下移 k：上移

插入模式：

i：插入文本 a：追加文本 esc：退出

输入“：”进入末行模式，将文本保存为文件或退出vim：

:w：写入（保存）文件

:q：退出vim

:wq：保存并退出

:q!：不保存更改，强制退出

（2）WYSIWYG编辑器

     

    

1. 使用文本编辑器

（1）emacs

       emacs是一款强大的文本编辑器，可在多个不同的平台上运行。最受欢迎的emacs是GNU Emacs，可在大多数Linux发行版中使用。

3.程序开发

程序开发步骤：

执行程序的开发步骤如下：

（1）创建源文件：使用文本编辑器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语言和编程语言。C语言程序中的变量可分为全局变量、局部变量、静态变量、自动变量和寄存器变量。

（2）用gcc把源文件转换成二进制可执行文件，如：gcc t1.c t2.c 生成一个二进制可执行文件，文件名为a.out。在Linux中，cc链接到gcc，所以它们是一样的。

（3）gcc是什么？gcc是一个程序，它包含三个主要步骤，如图所示

     

第一步：将C源文件转换为汇编代码文件。

第二步：把汇编代码转换成目标代码。

第三步：链接。一个程序可能包含多个.o文件，这些文件相互依赖。

      可执行文件格式：

        虽然默认的二进制可执行文件名为a.out，但实际文件格式可变。其中包括

(1)二进制可执行平面文件

(2)a.out可执行文件

(3)ELF可执行文件（更适合动态链接）

        a.out文件的内容：

        (1)二进制可执行平面文件

        (2)代码段

        (3)数据段

        (4)符号表

        

       程序执行过程：

（1）读取a.out文件头，以确定所需的总内存大小，包含栈空间大小：

TotalSize = _brk +stackSize

（2）sh从总大小中分配一个内存区给执行映像

（3）sh放弃旧映像，开始执行新映像

（4）执行从crt0.o开始，调用main（）

程序终止：

（1）正常终止

（2）异常终止

4.C语言中的函数调用

  （1）每个CPU都有以下寄存器或同等寄存器，括号中的条目表示x86CPU的寄存器：

PC(IP)：指向CPU要执行的下一条指令。

SP（SP）：指向栈顶

FP（BP）：指向当前激活函数的栈帧

返回值寄存器（AX）：函数返回值的寄存器。

当sub（）执行C语句return x+y+u+v时，他对表达式求值，并将结果值放入返回寄存器（AX）。

1. C语言程序与汇编代码的链接

（1）汇编代码说明

       GCC生成的汇编代码由三部分组成：

       ①入口代码：又叫作prolog，它建立栈帧，在堆栈上分配局部变量和工作空间

       ②函数体代码：在AX寄存器中执行带有返回值的函数任务

       ③退出代码：又叫做epilog，它释放堆栈空间并返回到调用者

1. 链接库

  在Linux中，有两种链接库：用于静态链接的静态链接库和用于动态链接的动态链接库。

  静态链接库：

在编译链接过程中，-L指定链接库路径（当前目录），-l指定链接库。注意，链接库（mylib）未指定前缀lib和后缀.a。

动态链接库：

  

1. Makefile

(1) makefile格式：一个make文件由一系列目标项、依赖项和规则组成

1. GDB调试工具

  1、创建makefile：

t: t.c

gcc -g -o t t.c

然后使用RMACS编辑c语言源文件。

2、编译源代码

打开Tools菜单，选择编译或

gccc -g -o t t.c

3、启动GDB

4、多窗口GDB

5、附加GDB命令

  C语言程序中的常见错误：

    1、使用任何指针时，程序员必须确保指针部位NULL或被设置为执行有效的内存地址

2、数组下标越界

3、字符串指针和char数组使用不当

4、assert宏的用法

1. C语言结构体

   next：指向下一个节点结构体的指针

   key：一个整数

   name：一个由64个字符组成的数组

（1）定义结构体变量

struct node x，node；

NODE x，node；

（2） typedef struct node{

struct node *next;

int key key;

char name[2];

}attribute((packed,aligned(1))) NODE;

PACKED属性定义C语言结构体，这可以防止C编译器用额外字节填充字段

（3）联合体所有成员共享相同的存储区。

（4）可扩充C语言结构体：要使用这类结构体，用户必须为实际结构体分配所需要的内存。

10.链表处理

单向链表是一种由一系列节点组成的数据结构

链表操作：

链表最常见的操作类型为：构建、遍历、搜索、插入、删除、重新排序

1. 树和Linux

mkdir 路径名：为给定的路径名创建一个新目录。

rmdir 路径名：如果目录为空，则删除该目录

creat 路径名：创建一个FILE结点。

save 文件名：将当前文件系统树保存为文件

reload 文件名：从一个文件构造一个文件系统树

menu:显示有效命令菜单

quit：保存文件系统树，然后终止程序