linux/unix系统编程1（第二章）

linux/unix基本概念

1. 操作系统的内核

在广义情况下：内核是指完整的软件包，包括计算机核心层软件，以及所有的附带 标准工具：如命令解释器，图形用户界面，文件操作工具和文本编辑器等。

在侠义情况下：内核就是指管理计算机资源（CPU，RAM和设备）的核心层软件。

本书中的内核为狭义的内核

1. 内核的职责
   1. 进程调度：linux为抢占式多任务操作系统，多任务指同时可以有多个进程驻留于内存之中，抢占是指操作系统内核对每个进程占用CPU时间的分配。
      进程本身对于自己何时执行，执行多长时间毫不知情
   2. 内存管理：采用和windows类似的虚拟内存管理技术（计算机历史上最为成功的抽象技术之一） ，主要有一下两个优点。
      1. 进程与进程之间，进程与内核之间彼此隔离，因此一个进程无法直接读取或修改内核或其他进程的内容。
      2. 提供了虚拟内存（就是可以将部分磁盘空间当做内存处理），保证了CPU在任意时刻都有进程执行，它使得应用程序认为它拥有连续可用的内存，但实际上，它通常是被分割为多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部的磁盘存储器上，需要时进行数据交换。linux提供的“交换空间”通常就是被视为虚拟内存的磁盘空间。
   3. 提供了文件系统：文件系统的存在可以方便的对存在于磁盘上的文件进行创建，删除，修改，检查的功能，文件系统本身也是计算机历史上最重要的抽象概念之一。
   4. 创建和终止进程：内核可以将可执行文件加载如内存，并为其提供所需的资源，进程执行完毕后，内核还可以释放占用的全部资源。
   5. 内核既为程序的访问设备提供了简化的标准接口，还仲裁多个进程对每一个设备的访问。
   6. 联网：内核可以以进程的名义收发网络数据
   7. 提供系统调用接口：进程可以利用内核提供的接口去请求内核执行各种任务

操作系统的本质就是一种特殊的软件：一般来说，只要有进程管理和内存管理就可以叫做操作系统了。

2. 内核态和用户态 ：现代CPU至少可以被分为两种状态：用户态和内核态，操作系统为了合理使用CPU的两个状态，将虚拟内存分为了用户态和内核态。内核态的CPU可以访问用户态和内核态的进程虚拟内存，用户态的CPU只可以访问用户态的进程虚拟内存。
   仅当处理器处于核心态时，才可执行某些位于虚拟内存内核态的操作，比如关机，硬件管理，进程管理等。

2. shell

命名解释器，shell的命令就是人机交互，同时执行一些脚本

3.文件I/O模型

1. 在linux系统中一切皆文件，且同一套系统调用（open，read，write，close等）所执行的I/O操作，可作用于所有的文件系统，比如套接字。因为应用程序发起I/O请求，内核会将其转化为相应的文件系统操作，就本质而言，内核只提供一种文件类型：字节流序列。

2. stdio库：C语言在执行I/O操作时，往往会调用C语言的标准输入输出库，其中包括（fopen，fclose，scanf，printf，fgets，fputs)。

3. 对于进程来说，许多事情的生都无法预期，进程不知道自己何时开始，结束占据CPU，不知道自己在物理内存和交换空间中的实际位置，不知道外部信号的来历，等等。进程仅仅是一个孤岛，对于整个体系的把控完全依赖于内核。

4. 进程的内存布局

   1. 文本：程序的指令
   2. 数据：程序使用的静态变量
   3. 堆：程序可以从该区域动态分配额外内存
   4. 栈：随函数调用，返回而增减的一片内存，用于为局部变量和函数调用链接信息分配存储空间。

5. 创建进程执行程序
   进程可以调用fork()来创建。父进程调用fork函数来创建子进程，子进程可以将父进程的文本，数据，堆，栈复制过来（内存中标记为只读的部分则由父，字进程共享）。
   当然，execve函数可以去加载一个全新的程序，execve函数会销毁现有的文本段，数据段，堆，栈，根据新程序创建一个新段来替换它们。

6. 进程终止和终止状态：可以使用以下两种方式来终止一个进程

   1. 调用相关的exit（）库函数
   2. 向进程传递信号（最常用kill命令）

7. 守护进程：指具有特殊用途的进程，进程创建和处理此类的进程的方式和其他进程相同，但以下特征是其所独有的，守护进程的例子有（syslogd，在系统日志中记录消息，httpd，利用HTTP分发web页面）

   1. “长生不老"。守护进程通常在系统引导时启动，直到系统关闭时生命周期才会结束。
   2. 守护进程在后台运行，且无控制终端供其读取或写入数据。

8. init进程：系统引导时会创建最初的进程，名叫init进程，是所有进程之父。init的进程号为1，且总以超级用户的权限运行，只有关闭了系统init进程才会终止，init的任务是创建并监控系统运行所需的一系列进程

4. 进程间的通信及同步

Linux系统上运行有多个进程，其中许多都是独立运行的，然而，进程间的通信（IPC）和同步是完成某些任务的必要机制。
读写磁盘文件中的信息是进程间通信的方法之一。可是，对许多程序员来说，这种方法既满又缺乏灵活性。因此，linux也提供了丰富的进程间通信的机制。

1. 信号（signal）：用来表示事件的发生
2. 管道和FIFO：用于在进程间传递数据
3. 套接字：供一台主机或是互联网的不同主机上所运行的进程之间传递信息。
4. 文件锁定：防止其他进程读取或更新文件的内容，允许某进程对文件的部分区域加以锁定。
5. 消息队列：允许在进程间交换消息（数据包）
6. 信号量：用来同步进程动作
7. 共享内存：允许两个及两个以上的进程共享一块内存，当某进程改变了共享内存的内容时，其他进程会立刻了解这一个变化。

5. 信号

尽管上一节将信号视为IPC的方法之一，但信号是一种广泛应用的操作。
人们往往将信号称为”软件中断“，进程收到信号，就意味着有事情要发生。
kill命令即可发出信号，kill本事发信号的命令，但是它发的大多数信号可以杀死进程，所有就起了（kill这个名字）

6.文件系统 /Proc

/Proc是一种虚拟文件系统，为内核提供了一个方便控制所有文件的接口，使操作系统内核可以方便的查看，修该各种属性。