unix环境高级编程——UNIX体系架构

本期主题：
unix环境高级编程——UNIX体系架构

0.初始UNIX

这里略过unix的历史不讲，网上有比较详细的资料。
我们可以将操作系统定义为一种软件 ，这种软件所做的事情包括控制计算机各种硬件资源，提供应用程序的运行环境，通常这种软件被称为内核（kernel）。
整体的系统架构图如下所示：

内核的接口被称为系统调用
公用函数库构建在系统调用之上
应用程序既可以使用公用函数库，也可以是使用系统调用
shell是一个特殊的应用程序，为运行其他应用程序提供了接口

1.系统调用

/dev目录中的设备文件的用法都是相同的，它们都可以被打开、读、写和关闭。

下面是用于访问设备驱动程序的底层函数（系统调用）。

• open：打开文件或设备
• read：从打开的文件或设备里读数据
• write：向文件或设备写数据
• close：关闭文件或设备
• ioctl：把控制信息传递给设备驱动程序。

可以直接用系统调用 open()、read()、close()来实现文件的操作，绕过glibc的fopen、fread、fclose

2.库函数

针对底层硬件的输入输出，频繁的使用系统调用效率会非常低，原因在于：

• 操作系统需要频繁的从 用户态 切换到 内核态，减少这种开销的一个好方法是，在程序中尽量减少系统调用的次数，并且让每次系统调用完成尽可能多的工作。
• 硬件本身的特性决定，例如，磁带机通常一次能写的数据块长度是10k。所以，如果你试图写的数据量不是10k的整数倍，磁带机还是会以10k为单位卷绕磁带，从而在磁带上留下了空隙。

需要运行库的原因除了刚刚讲的效率低问题，还有一个就是有了标准库，会更方便上层的开发：

• 使用简便。运行库本身就是语言级别，一般相对设计比较友好；
• 形式统一。运行库有自身的标准，是相互兼容的，这个不会随着操作系统或者编译器的变化而变化，例如在windows上和在Linux上都是fread()函数；

因此为了给设备和磁盘文件提供更高层的接口，Linux发行版（和UNIX）提供了一系列的标准函数库。
它们是一些由函数构成的集合，你可以把它们应用到自己的程序中，比如提供输出缓冲功能的标准I/O库。
你可以高效地写任意长度的数据块，库函数则在数据满足数据块长度要求时安排执行底层系统调用。这就极大降低了系统调用的开销。
以下就是常用的标准I/O库函数

• fopen、fclose
• fread、fwrite
• fflush
• fseek
• fgetc、getc、getchar
• fputc、putc、putchar
• fgets、gets
• printf、fprintf和sprintf
• scanf、fscanf和sscanf

2.1 C语言的运行库

任何一个C应用程序，背后都需要庞大的代码来进行支撑，使得该程序能够正常运行。这样的代码集合被称为 运行时库（runtime library），而C语言的运行库，被称为CRT（C运行库）。
一个C的运行库大致包含以下功能：

• 启动和退出：包含入口函数以及入口函数所依赖的部分；
• 标准函数：C语言标准库的函数实现；
• I/O：I/O功能的封装和实现
• 堆：堆的实现
• 语言实现：语言中一些特殊功能的时间
• 调试功能

glibc
glibc是GNU C library，是GNU旗下的C标准
glibc的发布版本主要有两部分构成

• 一部分是头文件，例如 stdio.h/ stdlib.h等
• 另一部分是库的二进制文件部分，libc.so以及libc.a等

3.shell

shell是一个用户可以跟操作系统交互的可视化终端，它允许用户向操作系统输入需要执行的命令，这点与Windows的命令提示符类似，但是功能更为强大。
在Linux中安装多个shell是完全可行的，用户可以挑选一种自己喜欢的shell来使用。
下图显示了shell（实际上是两种shell:bash和csh）和其他程序环绕在Linux内核的四周。
在Linux系统中，默认总是作为/bin/sh安装的标准shell是GNU工具集中的bash（GNU Bourne-Again Shell）。