1 UNIX基础知识

1.1 UNIX体系结构

操作系统可定义为一种软件，它控制计算机硬件资源，提供程序运行环境，通常将这种软件称为内核（kernel）。UNIX操作系统的体系结构如下图所示，其中内核的接口被称为系统调用（system call图中阴影部分），公共函数库构建在系统调用接口之上，应用程序可调用公共函数库，也可以直接使用系统调用。shell是一种特殊的应用程序，为运行其他应用程序提供一个接口。

1.2 登录

（1）   登录名

用户在登录UNIX时，先键入登录名，然后键入口令。系统在其口令接口（Redhat 2.6.32-431.el6.x86_64在/etc/passwd下）中查看登录名。如下：

  口令文件中的登录项是由7个以冒号分隔的字段组成，依次是：登录名、加密口令、数字用户ID、数字组ID、字段注释、起始目录以及shell程序。

（2）shell

用户登录后，系统通常先显示一些系统信息，然后用户可通过shell程序键入命令。shell是一个命令行解释器，可读取用户输入，然后执行命令。shell的用户输入通常来自于终端（交互式shell），有时则来自于文件（称为shell脚本）。UNIX系统中shell有多种，用得比较多的是Bash shell。

1.3 文件和目录

（1）文件系统

UNIX文件系统是目录和文件的一种层次结构，所有东西的起点是称为根（root）目录。这个目录的名称是一个符号“/“。

目录（directory）是一个包含目录项的文件。在逻辑上，可以认为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、文件大小、文件所有者、文件权限以及文件最后的修改时间。

（2）文件名

目录中的各个名字称为文件名（filename）。只有斜线（/）和空字符这两个字符不能出现在文件名中。斜线用来分隔构成路径名和各文件名，空字符则用来终止一个路径名。

创建目录时会自动创建两个文件名：.（称为点）和..（称为点点）。点指向当前目录，点点指向父目录。在最高层目录中，点和点点相同。

（3）路径名

由斜线分隔的一个或多个文件名组成的序列（也可以是斜线开头）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。相对路径名指向相对于当前目录的文件。文件系统根的名字（/）是一个特殊的绝对路径名，它不包含文件名。

（4）工作目录

每个进程都有一个工作目录，有时称为当前工作目录，所有相对路径名都从工作目录开始解释。

（5）起始目录

登录时，工作目录设置为起始目录，起始目录可从口令文件中相应用户的登陆项中取得。

1.4 输入和输出

（1）文件描述符

文件描述符（file descriptor）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。当内核打开一个现存文件或创建一个新的文件时，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。

（2）标准输入、标准输出和标准错误

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（standard input）、标准输出（standard output）以及标准错误（standard error）。如果不做处理，这三个描述符都链接向终端。可使用重定向方法到某个文件中。例如：

ls > file.list    执行ls命令，其标准输出重定向到名为file.list的文件。

（3）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。

（4）标准I/O

标准I/O函数为那些不带缓冲的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的大小。另外，使用标准I/O简化了对输入行的处理。

1.5 程序和进程

（1）程序

程序（program）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（7个exec函数之一），将程序读入内存，并执行程序。

（2）进程和进程ID

程序的执行实体被称为进程（process）。每一个进程都有一个唯一的数字标识符，称为进程ID（process ID）。进程ID总是一个非负整数。

（3）进程控制

有3个用于进程控制的主要函数：fork、exec和waitpid。

（4）线程和线程ID

通常，一个进程只有一个控制线程—某一时刻执行的一组机器指令，但也可以多个线程作用于线程的不同部分。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。线程也有线程ID标识，但线程ID只在它所属的进程内起作用。

1.6 出错处理

当UNIX系统出错时，通常会返回一个负值，而且整型变量errno通常被设置为具有特定信息的值。文件<errno.h>中定义了errno以及可以赋予它的各种变量。

1.7 用户标识

（1）用户ID

口令文件登录项中的用户ID（user ID）是一个数值。它向系统标识各个不同的用户。用户不能更改其用户ID，通常每个用户有一个唯一的用户ID。

用户ID为0的用户为根用户（root）或超级用户，在口令文件中，登录名为root，称这种用户的特权为超级用户特权。

 （2）组ID

口令文件登录项也包括用户的组ID（group ID），它是一个数值，组ID也是由系统管理员在指定用户登录名时分配的。一般来说，在口令文件中有多个登录项具有相同的组ID。组被用于将若干用户集合到项目或部门中去。组文件将组名映射为数值的组ID，组文件通常是/etc/group。

（3）附属组ID

除了在口令文件中对一个登录名指定一个组ID外，大多数UNIX版本还允许一个用户属于另一些组。

1.8 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信号的方式：

（1）忽略信号。有些信号表示硬件异常。例如，除以0或访问进程地址空间以外的存储单元。

（2）按系统默认的方式处理。对于除数为0，系统默认方式是终止该进程。

（3）提供一个函数，信号发生时调用该函数，这被称为捕捉该信号。通过提供自编的函数，我们就知道了什么时候产生了什么信号。并按期望的方式处理它。

1.9 时间值

历史上，UNIX系统使用过两种不同的时间值。

（1）日历时间。该值是自协调世界时（Coordinated Universal Time，UTC）1970年1月1日00:00:00这个特定时间以来所经过的秒数累计值（早期的手册称UTC为格林尼治时间），这些时间可用于记录文件最近一次修改的时间等。

（2）进程时间，也被称为CPU时间。用以度量进程使用的中央处理器资源。进程时间以时钟滴答计算。每秒钟曾经取为50、60或100个时钟滴答。

系统基本数据类型clock_t保存这种时间值。

当度量一个进程的执行时间时，UNIX系统为一个进程维护了3个进程时间值：时钟时间、用户CPU时间、系统CPU时间。时钟时间又称为墙上时钟时间（wall clock time），它是进程运行的时间总量，其值系统中同时运行的进程数有关。用户CPU时间是执行用户指令所有的时间量。系统CPU时间是为该进程执行内核程序所经历的时间。例如：每当一个进程执行一个系统服务时，如read或write，在内核内执行该服务所花费的时间就计入该进程的系统CPU时间，用户CPU时间和系统CPU时间之和常称为CPU时间。

1.10 系统调用和库函数

所有的操作系统都提供多种服务的入口点，由此程序向内核请求服务。各种版本的UNIX实现都提供良好定义、数量有限、直接进入内核的入口点，这些入口点称为系统调用（system call）。

UNIX所使用的技术是为每个系统调用在标准C库中设置一个具有同样名字的函数。用户进程用标准C调用序列来调用这些函数，然后方式又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，可将系统调用视为C函数。

应用程序既可以调用系统调用也可以调用库函数，很多库函数则会调用系统调用。如下图所示：

  系统调用和库函数之间的另外一个区别是：系统调用提供了一种最小接口，而库函数通常提供比较复杂的功能。