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📒 第 01 章 UNIX基础知识 学习笔记

1. UNIX体系结构

操作系统可以定义控制计算机硬件资源，提供程序运行环境的一种软件。通常称其为内核。位于环境的核心。UNIX系统的体系结构示意图如下：

  • 各个模块的说明：
    • 阴影部分：系统调用，是内核与外部层交互的接口。
    • 应用程序既可以使用公共函数也可以使用系统调用。
    • shell：为运行其它应用程序提供的一个接口。

2. 登录

  • 登录名

    • 系统将登录名存在口令文件 /etc/passwd。登录项由7个以冒号分割的字段组成：
      • 登录名、加密口令、数字用户ID（205）、数字组（105）、注释字段、起始目录（/home/sar）、shell程序（/bin/ksh）。

  • 在Unix系统中常见的shell根据分支不同，使用不同的shell格式：

3. 文件和目录

  • 文件系统

    • UNIX文件系统是目录和文件的一种层次结构。
    • 所有东西的起点是根目录("/")。
    • 目录项都包含一个文件名和文件属性信息，而文件属性则包含文件类型、文件大小、文件所有者、文件权限、文件最后修改时间等。

  • 文件名

    • 目录的各个名字称为文件名。
    • 斜线(/) 和空字符不能出现在文件名中。
      • 斜线分隔构成路径名的各个文件名字。
      • 空字符则终止一个路径名。
    • 创建新目录时会自动创建了两个文件名:.(称 点) 和 .. (称为点点)
      • 点指向当前目录， 点点指向父目录。在最高层次的根目录中，点点与点相同。

  • 路径名

    • 由斜线分隔的一个或多个文件名组成的序列 (也可以斜线开头)构成路径名 (pathname )。
    • 以斜线开头的路径名称为绝对路径名(absolutepathname).
    • 相对路径名指向相对于当前目录的文件。
    • 文件系统根(/ )是一个特殊的绝对路径名，它不包含文件名。

  • 工作目录

    • 每个进程都有一个工作目录，也称为当前工作目录。
    • 进程可以用 chdir 函数更改其工作目录。

  • 起始目录

    • 起始目录从口令文件中的相应用户的登录项中获得。

4. 输入和输出

  • 文件描述符

    • 文件描述符是一个小的非负整数，内核用来标识一个特定进程正在访问的文件。

  • 标准输入、标准输出和标准错误

    • 每运行一个新程序时，shell都会打开3个文件描述符（标准输入、标准输出和标准错误）。

  • 不带缓冲的I/O

    • 函数open、read、write、lseek提供了不带缓冲的I/O，都使用文件描述符的方式。

  • 标准I/O

    • 使用标准I/O函数无需担心如何选取最佳的缓冲区大小。
    • 简化了对输入行的处理。
    • 典型：printf() 函数。

5. 程序和进程

  • 程序

    • 一个存储在磁盘上某个目录的可执行文件。

  • 进程和进程ID

    • 程序的执行实例称为进程。
    • 进程ID总是一个非负整数。是每一个进程的唯一的数字标识符。代码文件：01.getpid.c

  • 进程控制

  • 线程和线程ID

    • 一个进程只有一个控制线程（thread）。
      • 某一时刻执行的一组机器指令。
    • 一个进程内的所有线程共享同一个地址空间、文件描述符、栈以及进程相关的属性。

6. 出错处理

当Unix系统函数出错时，通常会返回一个负值的errno。

  • errno定义在头文件 <errno.h> 中。

在使用 errno应当注意两条规则：

  • 如果没有出错，其值不会被例程消除
  • 任何函数都不会将 errno值 设置为0，在头文件中 <errno.h> 也不会定义为0。

在C语言中定义了两个函数，用于打印出错信息：

#include <string.h>
#include <stdio.h>

char *strerror(int errnum); // 将errnum映射为一个出错信息字符串，并返回此字符串的指针
void perror(const char *msg); // 基于当前值，在标准错误上产生一条出错信息，然后返回

7. 用户标识

  • 用户ID

    • 用户ID是一个数值，向系统标识各个不同的用户。
    • 系统管理员在确定一个用户的登录名时，确定其用户ID
    • 每个用户不能修改其用户ID，且只有一个唯一的用户ID。
    • 用户ID为0的用户为 root用户 或者 超级用户。

  • 组ID

    • 组ID也是系统管理员在指定用户登录名时分配的。
    • 允许同组的各个成员之间共享资源。
    • 组文件将组名映射为数值的组ID。组文件通常是 /etc/group。

代码源文件：03.getuid_getgid.c

/***************************************************
 * 
 * 描述：获取用户ID和组ID
 * 
 * **************************************************
 */

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

int main(void)
{
    printf("uid = %d gid = %d\n", getuid(), getgid());
    exit(0);
}
  • 附属组ID
    • 允许一个用户属于多至16个其它的组。

8. 信号

信号用于告知进程发生了某中情况。进程处理3种处理信号的方式：

  • 忽略信号

    • 某些异常产生的后果不确定，所以不推荐使用。

  • 按系统默认方式处理

    • 如果除数为0，则系统默认是终止进程。

  • 提供一个函数，信号发生时调用函数，这称为捕捉该信号。

在终端键盘上产生信号的两种方法（主要用于中断当前运行的进程）：

  • 中断键（Delete 或者 Ctrl + C） 和 退出键（Ctrl + \）
  • 调用 kill() 函数。

代码案例：04.catch_signal.c

9. 时间值

Unix 系统使用过两种时间值：

  • 日历时间

    • UTC时间（从1970年1月1日 00:00:00经过的秒数累计值）
    • 系统基本数据类型 time_t 用于保存这个时间值。

  • 进程时间

    • 也称CPU时间。用于度量进程使用的CPU资源。
    • 以时钟click计算。
    • 系统基本类型 clock_t 保存该值。

当度量一个进程的执行时间时，Unix为一个进程维护了3个进程时间值：

  • 时钟时间

    • 墙上时钟时间，是进程运行的时间总量。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

    • 为该进程执行内核程序所经过的时间。

10. 系统调用和库函数

  • 系统调用和库函数都以C函数的形式出现，两者都为应用程序提供服务。

    • 可以替换库函数，但系统调用一般不能替换。

  • 系统调用提供一种最小接口，而库函数通常提供比较复杂的功能。