一、UNIX/Linux前世今生

UNIX來源

20世紀(jì)60年代是大型、復(fù)雜操作系統(tǒng)盛行的年代，比如IBM的OS/360和Honeywell的Multics系統(tǒng)。OS/360是歷史上最成功的軟件項(xiàng)目之一，而 Multics雖然持續(xù)存在了多年，卻從來沒有被廣泛應(yīng)用過。貝爾實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)是Multics項(xiàng)目的最初參與者，但是因?yàn)榭紤]到該項(xiàng)目的復(fù)雜性和缺乏進(jìn)展而于1969年退出。鑒于Mutics項(xiàng)目不愉快的經(jīng)歷， Bell實(shí)驗(yàn)室的?Ken Thompson?開始利用一臺(tái)閑置的 PDP-7計(jì)算機(jī)開發(fā)了一種多用戶，多任務(wù)操作系統(tǒng)。很快，Dennis Richie?加入了這個(gè)項(xiàng)目，在他們共同努力下誕生了最早的UNIX。Richie?受一個(gè)更早的項(xiàng)目——MULTICS的啟發(fā)，將此操作系統(tǒng)命名為 Unix。早期UNIX是用匯編語言編寫的，但其第三個(gè)版本用一種嶄新的編程語言C重新設(shè)計(jì)了。C是?Richie?設(shè)計(jì)出來并用于編寫操作系統(tǒng)的程序語言。通過這次重新編 寫，Unix得以移植到更為強(qiáng)大的 DEC PDP-11/45與11/70計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。后來發(fā)生的一切，正如他們所說，已經(jīng)成為歷史。 Unix從實(shí)驗(yàn)室走出來并成為了操作系統(tǒng)的主流，現(xiàn)在幾乎每個(gè)主要的計(jì)算機(jī)廠商都有其自有版本的Unix。

POSIX來源

20世紀(jì)80年代中期，隨著UNIX成長后來占領(lǐng)了市場，公司多了，懂得人也多了，就分家了。Unix廠商試圖通過加入新的、往往不兼容的特性來使它們的程序與眾不同，麻煩也就隨之而來了。為了阻止這種趨勢，IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會(huì))開始努力標(biāo)準(zhǔn)化Unix的開發(fā)，后來由 Richard Stallman?命名為“POSIX(Portable Operating System Interface of UNIX)”。結(jié)果就得到 了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，稱作Posix標(biāo)準(zhǔn)。這套標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了很多方面，比如Unix系統(tǒng)調(diào)用的C語言接口、shell程序和工具、線程及網(wǎng)絡(luò)編程。“UNIX”這個(gè)名字由于法律關(guān)系，誰也不能說自己的操作系統(tǒng)是“UNIX”而只能說是“UNIX兼容”系統(tǒng)了。所以現(xiàn) 在“UNIX”系統(tǒng)嚴(yán)格意義上說是不存在的，存在的只是一個(gè)遙遠(yuǎn)的傳說。那么現(xiàn)在那些Solaris,AIX,IRIS,macOS都是什么呢？那些都是各公司在他們硬件平提上作的商業(yè)UNIX，這些系統(tǒng)都遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)。

GNU來源

GNU就是GNU's Not Unix的縮寫， GNU 的創(chuàng)始人Stallman認(rèn)為UNIX雖然不是最好的操作系統(tǒng)，但是至少不會(huì)太差，而他自信有能力把UNIX 不足的地方加以改進(jìn)，使它成為一個(gè)優(yōu)良的操作系統(tǒng)，就是名為GNU的一個(gè)同UNIX兼容的操作系統(tǒng)，并且開發(fā)這 個(gè)系統(tǒng)的目的就是為了讓所有計(jì)算機(jī)用戶都可以自由地獲得這個(gè)系統(tǒng)。任何人都可以免費(fèi)地獲得這個(gè)系統(tǒng)的源代碼，并且可以相互自由拷貝GNU 是由自由軟件基金會(huì) (Free Software Foundation，FSF)的董事長Richard M. Stallman （RMS）于1984年發(fā)起的，如今已經(jīng)有十幾年的歷史了。

GNU 開始的策略就是先開發(fā)UNIX已經(jīng)有的程序（因?yàn)橛?jì)劃中GNU將會(huì)是一個(gè)與UNIX兼容的操作系統(tǒng)，而UNIX下的標(biāo)準(zhǔn)使用界面已經(jīng)非常完善了，所以先依照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)應(yīng)用程序，將來GNU自己的系統(tǒng)核心一出來，就立即可以使用所有先前開發(fā)的 GNU 應(yīng)用程序），因此會(huì)先有emacs，GCC等工具軟件開發(fā)出來。其中GCC更是GNU計(jì)劃自立更生的一個(gè)重要步驟（不需要依 靠商業(yè)軟件來產(chǎn)生/編譯整個(gè)GNU系統(tǒng)），如今這套程序開發(fā)工具已經(jīng)很成熟了。下一步要做的就是開發(fā)GNU的核心－－Hurd 了，只要Hurd一開發(fā)出來，GNU 就是一套能夠自我開機(jī)，真正自給自足，完整的自由操作系統(tǒng)。

Hurd是基于Mach這個(gè)微內(nèi)核（micro kernel）上的操作系統(tǒng)核心。以后會(huì)使用尤他大學(xué)的Mach4（一個(gè)更為方便和快速的微內(nèi)核），由于Hurd基于Mach，所以只要Mach移植到什么機(jī)器上，Hurd也立刻就是這種硬件平臺(tái)的操作系統(tǒng)，就這一點(diǎn)而言，它是一種很前衛(wèi)的操作系統(tǒng)。但是，GNU的操作系統(tǒng)核心Hurd一直處于實(shí)驗(yàn)階段，沒有任何可用性，實(shí)質(zhì)上也沒能開發(fā)出完整的GNU操作系統(tǒng)，但是GNU奠定了Linux用戶基礎(chǔ)和開發(fā)環(huán)境。自由軟件基金會(huì)目前有一套以Linux為核心的GNU系統(tǒng)計(jì) 劃。這個(gè)計(jì)劃就是自由軟件基金會(huì)支持的 Debian Linux。 Debian Linux 是GNU軟件與公共軟件（Public Domain Software） 最徹底的結(jié)合，它是一套完全由GNU和公共軟件配置起來的，而且具有商業(yè)操作系統(tǒng)水平的操作系統(tǒng)。

Linux來源

Linux起源于一個(gè)學(xué)生的簡單需求。Linus Torvalds，Linux的作者與主要維護(hù)者，在其上大學(xué)時(shí)所買得起的唯一軟件是Minix。Minix是他的老師為講解操作系統(tǒng)原理這門課寫一個(gè)類似Unix操作系統(tǒng)，它被廣泛用來輔助教學(xué)的簡單操作系統(tǒng)。Linus 對(duì)Minix 不是很滿意，于是決定自己編寫軟件。他以學(xué)生時(shí)代熟悉的Unix作為原型， 在一臺(tái)Intel 386 PC上開始了他的工作。他的進(jìn)展很 快，受工作成績的鼓舞，他將這項(xiàng)成果通過互連網(wǎng)與其他同學(xué)共享，主要用于學(xué)術(shù)領(lǐng)域。有人看到了這個(gè)軟件并開始分發(fā)。每當(dāng) 出現(xiàn)新問題時(shí)，有人會(huì)立刻找到解決辦法并加入其中，很快的， Linux成為了一個(gè)操作系統(tǒng)。值得注意的是Linux并沒有包括 Unix源碼。它是按照公開的POSIX標(biāo)準(zhǔn)重新編寫的。Linux大量使用了由麻省劍橋免費(fèi)軟件基金的GNU軟件，同時(shí)Linux自身也 是用它們構(gòu)造而成。

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二、站在十萬八千里的高度

在linux/unix的世界里，“萬般皆下品，一切皆文件！”這句話是linux/unix的哲學(xué)核心思想。從1991.10.5年?Linus Torvalds 在自己學(xué)校FTP站點(diǎn)上正式向外發(fā)布第一個(gè)穩(wěn)定的Linux內(nèi)核工作版本到今天，正是由于這種“簡單粗暴而又妖嬈”的設(shè)計(jì)，才使得今天發(fā)生翻天覆地變化，我們在Linux/UNIX下編程時(shí)依然使用同一套API（Application Program Interface）。12年前的我剛開始接觸Linux編程時(shí)學(xué)習(xí)的是大神 Richard Stevens 所著的《UNIX高級(jí)環(huán)境編程，業(yè)界簡稱APUE》和《UNIX網(wǎng)絡(luò)編程，業(yè)界簡稱UNP》，12年后的今天，在帶大家學(xué)習(xí)Linux下編程時(shí)依然倍加推崇這兩本書。其中《APUE》是所有Linux下所有 程，序開發(fā)者的入門必備良藥，《UNP》是所有從事Linux網(wǎng)絡(luò)編程人員的必讀書籍。

從現(xiàn)在開始，我們就開始帶領(lǐng)大家走進(jìn)Linux下的編程世界，而這個(gè)窗戶就是《APUE》。在《APUE》這本書基本上覆蓋了 Linux下所有編程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合這么多年的嵌入式Linux開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，我把這本書需要重點(diǎn)掌握的內(nèi)容大致分為以下幾大塊：

• 文件I/O： open()、read()、write()、ioctl()、close()
• 多進(jìn)程編程： fork()、getpid()、getppid()、exec*()、system()、popen()
• 多線程編程： pthread_create()、pthread_join()、pthread_exit()
• 網(wǎng)絡(luò)編程： socket()、bind()、connect()、accept()、read()/recv()、write()/send()、close()
• 多路復(fù)用： select()、poll()、epoll()
• 進(jìn)程間通信(IPC)： 管道(pipe)、命名管道(named pipe/FIFO)、消息隊(duì)列(Message Queue)、信號(hào)量(Semophore )、信 號(hào)(signal)、共享內(nèi)存(Shared Memory)、網(wǎng)絡(luò)通信(sockt和named socket)

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三、系統(tǒng)調(diào)用與庫函數(shù)

Linux下對(duì)文件操作有兩種方式：系統(tǒng)調(diào)用(system call)和庫函數(shù)調(diào)用(Library functions)。在《APUE》這本書中講的絕大部分函數(shù)都是系統(tǒng)調(diào)用，而非庫函數(shù)。

系統(tǒng)調(diào)用

系統(tǒng)調(diào)用，我們可以理解是操作系統(tǒng)為用戶提供的一系列操作的接口（API），這些接口提供了對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備功能的操作。可 以舉個(gè)例子，我們最熟悉的 hello world 程序會(huì)在屏幕上打印出信息，程序中調(diào)用了printf() 函數(shù)，而庫函數(shù) printf 是將需要打印的信息輸出到屏幕這個(gè)硬件設(shè)備上。我們知道，對(duì)于所有硬件設(shè)備的操作都需要驅(qū)動(dòng)程序，而驅(qū)動(dòng)程序是由操作系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的。這也就意味著我們的printf()函數(shù)最終需要調(diào)用Linux內(nèi)核的相關(guān)函數(shù)來操作屏幕這個(gè)設(shè)備，而這些函數(shù)就是系統(tǒng)調(diào)用。事實(shí)上，printf()庫函數(shù)的實(shí)現(xiàn)里最終會(huì)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用 write() 。

庫函數(shù)

庫函數(shù)可以理解為是對(duì)系統(tǒng)調(diào)用的一層封裝。系統(tǒng)調(diào)用作為內(nèi)核提供給用戶程序的接口，它的執(zhí)行效率是比較高效而精簡的， 但有時(shí)我們需要對(duì)獲取的信息進(jìn)行更復(fù)雜的處理，或更人性化的需要，我們把這些處理過程封裝成一個(gè)函數(shù)再提供給程序員，更方便于程序猿編碼。譬如在接下來的學(xué)習(xí)過程中，我們會(huì)學(xué)習(xí)read(int fd, char *buf, int size)這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，這個(gè)函數(shù)是從某個(gè)文件(由fd)標(biāo)志中，讀取最多不超過size個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)并存放到buf中去，在這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用中我們只能指定讀N個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，而對(duì)于想一次讀取一行這樣的需求則可以調(diào)用庫函數(shù)fgets()來實(shí)現(xiàn)，這在《C Primer Plus》的文件/IO中講到，當(dāng)然在《C Primer Plus》里提到的所有函數(shù)都是庫函數(shù)。

系統(tǒng)調(diào)用和庫函數(shù)

庫函數(shù)有可能包含有一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，有可能有好幾個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，對(duì)于不需要涉及內(nèi)核的功能的庫函數(shù)也不需要調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用， 比如strcpy()、strstr()、strlen()這些函數(shù)等。 對(duì)于一個(gè)功能，我們有時(shí)既可以使用系統(tǒng)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)，也可以使用庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，也沒有強(qiáng)制的規(guī)定，根據(jù)大家的實(shí)際需求來選擇。譬如對(duì)于文件的操作，我們可以使用open()、read()、write()、close()這些系統(tǒng) 調(diào)用實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然我們也可以使用fopen()、fread()、fwrite()、fgets()、fclose()這些庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，只有對(duì)比了解他們各自的特性我們針對(duì)不同的情況作出一個(gè)最優(yōu)的選擇。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Note1：APUE引言的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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