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UNIX基础知识

主要介绍了基础的UNIX知识，帮助初学者在UNIX环境下“存活下来”

  • 标准系统函数的返回值，一般来解释如下

    • >= 0 -> 表示程序正常执行
    • < 0 -> 表示程序出错，返回的负数可以表征具体的错误码

  • 三个标准“文件描述符”

    • STDIN_FILENO = 0
    • STDOUT_FILENO = 1
    • STDERR_FILENO = 2

  • <unistd.h> : unix std -> 标准头文件，包含了很多UNIX系统服务的函数原型

    • 有很多unistd.h头文件，用户开发应该使用<unistd.h>，其具体指/usr/inlcude/unistd.h

  • 不带缓冲的I/O VS 标准I/O (带缓冲)

    • <unistd.h> -> 提供不带缓冲I/O的函数原型: read, write, lseek。使用时需要提供缓冲区大小参数
    • <stdio.h> -> 提供标准I/O的函数原型: scanf, printf。使用时无需担心最优缓冲区大小，因为开发人员无需提供缓冲区大小参数。此外，还定义了标准常量stdin，stdout

  • 用于进程控制的三个主要函数

    • fork：返回值为0，表示处于子进程中；返回值大于0，表示处于父进程中，且返回值为子进程的PID；返回值小于0，fork出错
    • exec：有7个变体，统称exec函数
    • waitpid：
    • fork -> exec函数，创建新进程，执行新的程序

  • 头文件组织

    • /usr/include/linux, /usr/inlcude/asm* 下的头文件是与Linux内核一起分发的
    • /usr/include/sys/*.h, /usr/include/bits/*.h 下的头文件是与C库一起分发的
    • LC_ALL=C gcc -v -xc -E /dev/null 2>&1 | sed -ne '/search starts here/,/End of search list/p'用于输出gcc的头文件搜索路径

  • 时间相关

    • 日历时间：UNIX系统的基本时间服务计算自世界协调时间[1970年1月1日00:00:00]以来经过的秒数，以time_t类型表示，可使用time()获取
    • 进程时间[CPU时间]：用以度量进程使用的中央处理器资源，以时钟滴答计算，每秒钟多少个滴答是一种系统配置，使用clock_t类型表示

    UNIX系统为一个进程维护了3个时间值【进程时间】：

    • 时钟时间[real][墙上时间]，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[user]：执行用户指令所用的时间总量

    • 系统CPU时间[sys]：程序执行内核服务的时间总量

    • POSIX扩展规范增加了对多个系统时钟的支持，通过clockid_t类型标识不同的POSIX系统时钟

      • CLOCK_REALTIME：类型于UNIX系统提供的[real]，但是在系统支持高精度时间值的情况下，可以获得更高精度的时间值
      • CLOCK_MONOTONIC：不带负跳数的CLOCK_REALTIME
      • CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID：调用函数获取该时间的进程的CPU时间
        使用clock_gettime(clockid_t id, struct timespec *tsp)获取不同的系统时钟时间，其中 struct timespec采用秒+纳秒的方式来表示时间值

UNIX标准及实现

  • 相关的两个标准
    • ISO C
    • IEEE POSIX -> 不区分接口是系统调用还是库函数，统称为函数
    • 这些标准规范了符号标准的UNIX操作系统必须提供的接口。当然，操作系统要发挥作用，还要有其一般的通用功能。因此可以说，标准定义了任一实际系统的子集。
    • 有些属于UNIX系统必须，但在符合POSIX标准的系统中是可选的功能
  • 限制
    • 幻数、常量的值，在不同系统下的值究竟为多少？具体分为如下两种类型：
      • 编译时限制（例如，短整型的最大值是多少？）可在头文件中定义
      • 运行时限制（例如，文件名最多能有多少个字符？），要求进程调用一个相关的函数获取具体的限制值
      • 然而有些限制在一个给定的UNIX实现中可能是固定的，而在另一个UNIX实现中则可能是变动的
    • 为了解决这类问题，提供了以下三种限制：
      • 编译时限制（头文件）
      • 与文件或目录无关的运行时限制（sysconf函数）
      • 与文件或目录有关的运行时限制（pathconf和fpathconf函数）
      • 如果一个运行时限制在一个给定的UNIX实现上并不改变，则可将其静态地定义在一个头文件中。如果没有将其定义在头文件中，应用程序就必须调用上述的三个conf函数之一以确定其运行时值
    • ISO C 标准的所有限制都在<limits.h>文件中

文件IO

  • Unbuffered I/O: “不带缓冲”指每个read/write都调用内核中的一个系统调用[实际还是会使用内核的缓冲区的]。它们不是ISO C标准，而是POSIX.I的组成部分

    • open(), 除非指定O_APPENDflag，否则打开文件时的偏移量都为0，返回值为文件描述符
    • lseek(), 显式地为一个已经打开的文件设置偏移量。返回值为添加之后新的文件偏移量。它仅将当前的文件偏移量记录在内核，不会引起任何I/O操作
      • 相对文件开始的偏移量，只能为+
      • 相对当前值的偏移量，+-均可
      • 相对文件结尾的偏移量，+-均可
    • read(), 返回读到的字节数
    • write(), 返回实际写入的字节数

  • 多个进程间如何共享文件？【涉及到多进程间资源共享】

    • 文件描述符表，独属于某个进程，每个描述符表项，包含一个指向某文件表项的指针
    • 打开文件表，由内核维护。每个文件表项包含: 文件状态，当前文件偏移量，指向i节点的指针。
    • 文件系统的i节点表，由内核维护。每个打开文件都唯一对应一个i-node节点
    • 如果有两个进程打开同一个文件：则该文件会有两个文件表项分别对应每个进程；该文件在这两个进程中分别有一个文件描述符；但是该文件只有一个i-node

  • 原子操作

    • write() 是原子操作的吗？两个进程对该文件同时进行写，如果不加互斥，会出问题吗？
    • pwrite() 应该是原子的？

  • 文件高级操作

    • dup(int fd), dup2(int fd, int fd2)
      • dup() 返回的新描述符一定是当前可用描述符中最小的
      • dup2() 可由用户指定fd2为新的描述符；如果fd2已经打开，则先关闭fd2
      • 这两个函数返回的新描述符与原描述符共享打开文件表项
    • sync(), fsync(), fdatasync()
      • UNIX系统内核中设有缓冲区，大多数磁盘I/O都通过缓冲区进行。例如，当写文件时，内核通常先将数据复制到缓冲区，然后排入队列，晚些时候再写入磁盘，
        这种方式称为“延迟写”。
      • 提供了上述3个函数以保证磁盘上实际文件内容与缓冲区中内容一致
      • sync()，将修改过的块缓冲区排入队列，返回。不等待磁盘写操作
      • fsync(int fd)，只对由fd指定的文件起作用，且等待实际磁盘I/O操作完成
      • fdatasync(int fd)，与fsync类型，但是只影响文件数据部分
    • fcntl(int fd, int cmd, /* int arg */)
      • 根据cmd的不同，可以提供5大类的功能
    • ioctl()
日常记录
APUE-Learning-1
http://example.com/2024/07/10/APUE-Learning-1/
作者
Cyokeo
发布于
2024年7月10日
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