Unix System Overview

一.Unix 体系结构

由上图可以看出，内核居于最里层，Shell，Libary routines,以及Application通过系统调用（system calls)访问内核提供的功能。注意系统调用与函数调用的关系，两者不是一个东西。应用程序可以通过Shell和库访问内核功能，也可以直接通过系统调用访问内核。

二.登录

1.登录

我们使用用户名和密码登录Unix系统，系统会在/etc/passwd文件中校验我们的用户名，在/etc/shadow中校验密码。/etc/passwd文件内容格式如下：

root:x:0:0:root:/root:/bin/bash

其中各项用：隔开,分别代表：用户名，密码保存位置，UserID,GroupID,注释，家目录，使用的shell.

/etc/shadow文件内容格式如下：

root:x:16097:0:99999:7::::

各项用:分开，分别代表：用户名,加密密码，上次更改密码的时间，最短密码期限等

2.shell

使用的shell 由登录文件的最后一项决定，一般是/bin/bash,常见的shell除了bash ,还有C Shell,B shell,K shell，T Shell

三.文件和目录

1.文件系统

Unix系统文件结构由目录与文件构成的树构成，/为根目录。目录是包含目录项的文件，目录项是由包含文件名以及描述文件属性的结构组成。文件属性一般有文件的所有者，文件的访问权限，文件的大小，存储位置等。

2.文件名

文件名由字母，_,数字组成，/和NULL不可出现在文件名中。.与..在创建任何目录的时候自动创建，分别代表当前目录以及父目录。

3.路径名

由/开始并由/分隔开来的多个文件名组成的字符串称为路径名，比如/root/test，路径分为绝对路径和相对路径。绝对路径指从根目录/出发一直到访问目的目录，否则即为相对路径。

下面的代码实现一个简单的ls

<span style="font-size:18px;"><span style="font-size:18px;">/*************************************************************************
	> File Name: ls.c
	> Author: CodingPeasant
	> Mail: 1612853779@qq.com
	> Created Time: Mon 11 Aug 2014 06:10:09 AM PDT
 ************************************************************************/

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

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

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

	if( (dp = opendir(argv[1])) == NULL )
	{
		printf("can not open %s",argv[1]);
		exit(-1);
	}
	while((dirp = readdir(dp)) != NULL)
	{
		printf("%s\n",dirp->d_name);
	}

	closedir(dp);

	return 0;
}
</span></span>

3.工作目录

工作目录也叫当前工作目录，是进程的一个属性，进程可以使用chdir系统调用更改自己的工作目录。

4.家目录

我们登录后的第一个目录就是当前用户的家目录，家目录由登录文件/etc/passwd最后一项决定。

四.输入与输出

1.文件描述符：内核用于标记被进程访问的文件的的小正整数，由open()或者create()返回，用于其他文件访问的参数。

2.Shell在执行新程序的时候，打开标准输入，标准输出，标准出错输出，默认三者都指向终端文件。

3.非缓冲IO：所有IO操作都在内核空间中完成,open,read,write,seek,close是基本操作，这几个系统调用都和文件描述符(file descibe)相关联。

下面是一个拷贝到小程序：

<span style="font-size:18px;">/*************************************************************************
  > File Name: cp.c
  > Author: CodingPeasant
  > Mail: 1612853779@qq.com
  > Created Time: Tue 12 Aug 2014 06:27:16 AM PDT
 ************************************************************************/

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

#define BUFFSIZE 4096

int main()
{
	int n;
	char buf[BUFFSIZE];

	while( ( n = read(STDIN_FILENO,buf,BUFFSIZE)) > 0 )
	{
		if(write(STDOUT_FILENO,buf,n)!= n)
		{
			printf("write error");
			exit(-1);
		}
	}

	if (n < 0)
	{
		printf("read error");
		exit(-1);
	}
	exit(0);
}
</span>

假设生成的文件为mycp,则执行mycp < input_file,输入为input_file,输出为终端，出错输出也为终端。

执行mycp <input_file >out_file 则复制input_file内容到out_file。

4.标准IO：提供带有缓冲机制的IO访问函数，不需要自己管理缓冲区大小。

五.进程

1.程序和进程：程序指存在磁盘上的可执行文件，是静态的行为。当程序被内核以exec函数执行的时候，就变成了进程，进程是动态行为。

2.进程ID：每个进程都有一个非负数标识,叫做进程ID。

下面的小程序获取进程ID：

<span style="font-size:18px;">/*************************************************************************
	> File Name: pid.c
	> Author: CodingPeasant
	> Mail: 1612853779@qq.com
	> Created Time: Tue 12 Aug 2014 06:59:38 AM PDT
 ************************************************************************/

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>

int main()
{
	pid_t pid;

	printf("current process id:%ld\n",(long)getpid());

	return 0;
}
</span>

3.进程管理：fork创建子进程,exec函数族执行新程序,waitpid,wait进行子进程善后处理。下面是一个简易版shell:

<span style="font-size:18px;">/*************************************************************************
	> File Name: shell.c
	> Author: CodingPeasant
	> Mail: 1612853779@qq.com
	> Created Time: Tue 12 Aug 2014 07:12:58 AM PDT
 ************************************************************************/

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

#define MAXLINE 100
int main(int argc,char* argv[])
{
	char buf[MAXLINE];
	pid_t pid;
	int status;

	printf("%%");
	while(fgets(buf,MAXLINE,stdin)!= NULL)
	{
		if(buf[strlen(buf)-1] == '\n')
		{
			buf[strlen(buf)-1] = 0; /*replace \n to NULL*/
		}

		if((pid = fork()) < 0)
		{
			printf("fork error\n");
			exit(-1);
		}else if(pid == 0)//child process
		{
			execlp(buf,buf,(char*)0);//exec new progromme
			printf("can not execute :%s",buf);
			exit(127);
		}

		//parent
		if((pid = waitpid(pid,&status,0)) < 0)
		{
			printf("waitpid error");
			exit(-1);
		}
		printf("%%");
	}

}
</span>

关于程序的几点说明：

1.因为exec函数最后一个参数需要(char*)0，所以将读入的字符串的newline符号改为NULL

2.execlp第一个参数为文件名，系统会在环境变量中查找该文件，如果文件不是可执行文件，尝试用shell执行之。如果文件没找到报错

3.waitpid进行子进程资源回收以及执行状态获取。

线程：是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。进程中的所有线程共享进程的地址空间，文件描述符，栈以及其他进程属性。

线程ID：用于唯一标识一个线程，只在同一个进程中有意义。

六.错误处理

1.在Unix中一般函数调用出错返回值小于0，并且设置errno,用了表示发生了什么错误。

2.<errno.h> 定义了错误号的宏

3.通过char* strerror(int errnum);可以返回errnum对应的字符串标识

4.通过void perror(const char* msg);打印提示信息msg：error message

七.用户标识

1.User ID：由root分配用于系统唯一标识一个用户的数字，我们不可以改变。系统使用UserID测试我们是否可以访问相关资源。

2.Group ID:由root分配用于系统唯一标识一个组的数字。

3.附加组ID(Supplementary Group IDs):一个用户可以属于其他 组，用附加组ID表示这些组。

获取UserID 和 Group ID的小程序：

<span style="font-size:18px;">#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("uid:%d,gid:%d",getuid(),getgid());
    exit(0);
}</span>

八.信号

1.信号：用来通知进程某些条件发生的一种机制

2.对信号的处理方式：（1）忽略信号 （2）按照默认行为处理 （2）设置信号处理函数

3.增加了信号处理的简单shell：

<span style="font-size:18px;">/*************************************************************************
  > File Name: shell.c
  > Author: CodingPeasant
  > Mail: 1612853779@qq.com
  > Created Time: Tue 12 Aug 2014 07:12:58 AM PDT
 ************************************************************************/

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

#define MAXLINE 100

//deal with intrupt signal
static void sig_int(int);

int main(int argc,char* argv[])
{
    char buf[MAXLINE];
    pid_t pid;
    int status;

    if(signal(SIGINT,sig_int) == SIG_ERR)
    {
        printf("signal error");
        return -1;
    }
    printf("%%");
    while(fgets(buf,MAXLINE,stdin)!= NULL)
    {
        if(buf[strlen(buf)-1] == '\n')
        {
            buf[strlen(buf)-1] = 0; /*replace \n to NULL*/
        }

        if((pid = fork()) < 0)
        {
            printf("fork error\n");
            exit(-1);
        }else if(pid == 0)//child process
        {
            execlp(buf,buf,(char*)0);//exec new progromme
            printf("can not execute :%s",buf);
            exit(127);
        }

        //parent
        if((pid = waitpid(pid,&status,0)) < 0)
        {
            printf("waitpid error");
            exit(-1);
        }
        printf("%%");
    }

}

void sig_int(int signo)
{
    //just print signo
    printf("interrupt:%d\n",signo);
}
</span>

九.时间值

1.时间值分为：（1）日历时间，用time_t 结构表示，表示从1970 -1-1 00：00 到当前的秒数 （2）进程时间，用clock_t 结构标识，标识进程执行花了多少时钟

2.进程时间通常用三种值来衡量：（1）User CPU time ：执行用户指令花费的时钟数（2）Sytem CPU time ：执行系统指令花费的时钟数(3) clock time：进程执行花了多少时钟，受到其他进程的影响，通常指单一进程花费的时间

十.系统调用和库函数调用

1.进程执行分为用户态和内核态

2.系统调用和库函数调用区别：

函数库调用	系统调用
在所有的ANSI C编译器版本中，C库函数是相同的	各个操作系统的系统调用是不同的
它调用函数库中的一段程序（或函数）	它调用系统内核的服务
与用户程序相联系	是操作系统的一个入口点
在用户地址空间执行	在内核地址空间执行
它的运行时间属于“用户时间”	它的运行时间属于“系统”时间
属于过程调用，调用开销较小	需要在用户空间和内核上下文环境间切换，开销较大
在C函数库libc中有大约300个函数	在UNIX中大约有90个系统调用
典型的C函数库调用：system fprintf malloc	典型的系统调用：chdir fork write brk；