《Unix/Linux系统编程》第一、二章学习笔记

第一章 引言

让我最有收获的内容：

1.8 关于Unix

Unix是一种通用操作系统。
开发者：肯·汤普森（Ken Thompson）和丹尼斯·里奇（Dennis Richie）
诞生日期：20世纪70年代早期
经典书目：K&R 1988 《The C Programming Language》

1.9 关于Linux

Linux（Linux 2017）是一个类Unix系统。它最初是Linus Torvalds在1991年为基于Intel x86的个人计算机开发的一个实验性内核。
Linux的一个重要里程碑发生在20世纪90年代末，当时，它与GNU（Stallman 2017）相结合，纳入了许多GNU软件，如GCC编译器、GNU emacs编辑器和bash等，极大地促进了Linux的进一步发展。不 久之后，Linux实现了访问互联网的TCP/IP协议族，并移植了支持GUI的X11（X-window），成为一个完整的操作系统。
Linux包含其他Unix系统的许多特性。在某种意义上，它是由各种最为流行的Unix系统组合而成。在很大程度上，Linux是兼容POSIX标准的。Linux已被移植到许多硬件体系结构中，如摩托罗拉、SPARC和ARM等。主要的Linux平台仍然是基于Intel x86的个人计算机，包括广泛可用的台式机和笔记本电脑。此外，Linux可免费使用，且易于安装，因此，颇受计算机科学专业的学生欢迎。

1.13 使用Linux

1.13.1 Linux内核镜像

在典型的Linux系统中，Linux内核映像位于/boot目录中。可启动的Linux内核映像名为vmlinuz-generic-VERSION_NUMBER
initrd是Linux内核的初始的ramdisk映像。
一个可启动的Linux内核映像由三部分组成：
| BOOT | SETUP | linux kernel
BOOT是一个512字节的启动程序，用于从软盘映像启动早期的Linux版本。但现在，它不再用于Linux启动，而是包含一些参数，以供“SETUP”使用。SETUP是一段16位和32位的汇编代码，用于在启动期间将16位模式转换为32位保护模式。linux kernel是Linux的实际内核映像。它采用压缩格式，但在开始时有一段解压代码，用于解压Linux内核映像并将其放入高端内存中。

1.13.2 Linux启动程序

Linux内核可以由几个不同的启动加载程序启动。最受欢迎的Linux启动加载程序是GRUB和LILO。另外，HD启动程序（Wang 2015）也可用来启动Linux。

1.13.3 Linux启动

在启动期间，Linux启动加载程序首先会定位Linux内核映像（文件）。然后：

  • 加载BOOT+SETUP至实模式内存的0x90000处。
  • 加载Linux内核至高端内存的1MB处。

对于常见的Linux内核映像，该加载程序还会将初始ramdisk映像initrd加载到高端内存中。然后转移控制权，运行0x902000处的SETUP代码，启动Linux内核。首次启动时，Linux内核会将initrd作为临时根文件系统，在initrd上运行。Linux内核将执行一个sh脚本，该脚本指示内核加载实际根设备所需的模块。当实际根设备被激活并准备就绪时，内核将放弃初始ramdisk，将实际根设备挂载为根文件系统，从而完成Linux内核的两阶段启动。

1.13.4 Linux运行级别

Linux内核以单用户模式启动。它可以模仿System V Unix的运行级别，以多用户模式运行。然后，创建并运行INIT进程P1，后者将创建各种守护进程和供用户登录的终端进程。之后，INIT进程将等待任何子进程终止。

1.13.5 登录进程

各登录进程将在其终端上打开三个文件流：stdin（用于输入），stdout（用于输出），stderr（用于错误输出）。然后等待用户登录。在使用X-window作为用户界面的Linux系统上，X-window服务器通常会充当用户登录界面。用户登录后，（伪）终端默认属于用户。

1.13.6 命令执行

登录后，用户进程通常会执行命令解释程序sh，后者将提示用户执行命令。sh将直接执行一些特殊命令，如cd（更改目录）、exit（退出）、logout（注销）、&。

1.14 使用Ubuntu Linux

1.14.2 Ubuntu Linux的特性

（1）在台式机或笔记本电脑上安装Ubuntu时，需要输入用户名和密码来创建一个默认主目录为“/home/username”的用户账户。当Ubuntu启动时，它会立即在用户环境中运行，因为其已自动登录默认用户。

（2）出于安全原因，用户应为普通用户，而不是根用户或超级用户。
要运行任何特权命令，用户必须输入
sudo command

（3）用户的“PATH”（路径）环境变量设置通常不包括用户的当前目录。为在当前目录下运行程序，用户每次必须输入./a.out。为方便起见，用户应更改路径设置，以包含当前目录。在用户的主目录中，创建一个包含以下代码的.bashrc文件：
PATH=$PATH:./

用户每次打开伪终端时，sh都会先执行.bashrc文件来设置路径，以包含当前工作目录。
（4）很多用户可能都安装了64位的Ubuntu Linux。本书中的一些编程练习和作业是针对32位机器的。在64位Linux下，使用
gcc -m32 t.c # compile t.c into 32-bit code

生成32位代码。若64位Linux不采用-m32选项，则用户必须安装适用于gcc的附加支持插件，才能生成32位代码。
（5）Ubuntu具有友好的GUI用户界面。许多用户都习惯于使用GUI，以至于产生了过度依赖，这往往需要反复拖动和点击指向设备，从而浪费了大量时间。在系统编程中，用户还需要学习如何使用命令行和sh脚本，它们比GUI要通用和强大得多。

1.15 Unix/Linux文件系统组织

1.15.3 Unix/Linux命令

Unix/Linux中最常用的命令：

  • ls：ls dirname：列出CWD或目录的内容。
  • cd dirname：更改目录。
  • pwd：打印CWD的绝对路径名。
  • touch filename：更改文件名时间戳（如果文件不存在，则创建文件）。
  • cat filename：显示文件内容。
  • cp src dest：复制文件
  • mv src dest：移动或重命名文件。
  • mkdir dirname：创建目录。
  • rmdir dirname：移除（空）目录。
  • rm filename：移除或删除文件。
  • ln oldfile newfile：在文件之间创建链接。
  • find：搜索文件。
  • grep：搜索文件中包含模式的行。
  • ssh：登录到远程主机。
  • gzip filename：将文件压缩为.gz文件。
  • tar -zcvf file.tgz.:从当前目录创建压缩tar文件。
  • tar -zxvf file.tgz.:从.tgz文件中解压文件。
  • man：显示在线手册页。
  • zip file.zip filenames：将文件压缩为.zip文件。
  • unzip file.zip：解压.zip文件。

第二章 编程背景

让我最有收获的内容：

2.1 Linux中的文本编辑器

2.1.1 Vim

vim(Linux Vi和Vim Editor 2017)是Linux的标准内置编辑器。它是Unix原始默认vi编辑器的改进版本。与其他大多数编辑器不同，vim有3种不同的操作模式，分别是

  • 命令模式：用于输入命令
  • 插入模式：用于输入和编辑文本。
  • 末行模式：用于保存文件并退出。

vim启动时，处于默认的命令模式，在该模式下，大多数键表示特殊命令。移动光标的命令键示例如下：

  • h：将光标向左移动一个字符
  • l：将光标向右移动一个字符
  • j：将光标向下移动一个字符
  • k：将光标向上移动一个字符

在X-window中使用vim时，也可以通过箭头键来完成光标的移动。要输入文本进行编辑，用户必须输入i（插入）或a（追加）命令将vim切换到插入模式：

  • i：切换到插入模式，插入文本。
  • a：切换到插入模式，追加文本。

要退出插入模式，请按ESC键一次或多次。在命令模式下，输入“:”进入末行模式，将文本保存为文件或退出vim：

  • :w：写入（保存）文件。
  • :q：退出vim。
  • :wq：保存并退出。
  • :q!：不保存更改，强制退出。

虽然许多Unix用户已经习惯了vim不同的操作模式，但是其他用户可能认为与其他基于图形用户界面（GUI）的编辑器相比，vim使用起来既不自然也不方便。以下类型的编辑器属于通常所说的所见即所得（WYSIWYG）编辑器。在WYSIWYG编辑器中，用户可以输入文本，用箭头键移动光标，和普通的文本输入一样。通常，通过输入一个特殊的meta键，接着输入一个字母键即可创建命令。例如：

  • Ctrl+C：中止或退出。
  • Ctrl+K：删除行到缓冲区。
  • Ctrl+Y：从缓冲区内容中复制或粘贴。
  • Ctrl+S：保存已编辑文本等。

2.3 程序开发

2.3.1 程序开发步骤

（1）创建源文件；
全局变量、局部变量、静态变量、自动变量和寄存器变量。
（2）用gcc把源文件转换成二进制可执行文件。
gcc t1.c t2.c
（3）gcc的步骤：

1.将C源文件转换为汇编代码文件，即将.c文件转为.s文件。
2.将汇编代码转换为目标代码，即将.s文件转为.o文件。
每个.o文件包含：

  • 一个文件头
  • 一个代码段
  • 一个数据段
  • 一个BSS段
  • 指针、数据和重定位信息
  • 符号表

3.链接。

  • 将.o文件的所有代码段组合成单一代码段。
  • 将所有数据段组合成单一数据段。
  • 将所有BSS段组合成单一bss段。
  • 使用.o文件的重定位信息调整组合指针、数据和bss段的偏移量。
  • 用符号表来解析各个.o文件之间的交叉引用。
2.3.2 静态与动态链接

这是创建二进制可执行文件的两种方式。

静态库的特点：
链接器将所有必要的库函数代码和数据纳入a.out文件中。这使得a.out文件完整、独立，但通常非常大。
动态链接的优点：

  • 减小每个a.out文件大小；
  • 许多执行程序共享相同库函数；
  • 修改库函数无需重新编译源文件。
    动态链接所用的库称为动态链接库（DLL）。它们在Linux中称为共享库(.so文件)。动态加载（DL）库是指按需加载的共享库，可用作插件和动态加载模块。
2.3.3 可执行文件格式

1.二进制可执行平面文件
2.a.out可执行文件
3.ELF可执行文件

2.3.4 a.out文件的内容

1.文件头
2.代码段
3.数据段
4.符号表

2.3.5 程序执行过程

1.读取a.out文件头，以确定所需总内存大小；
2.sh从总大小中分配一个内存区给执行映像；
3.接着，sh放弃旧映像，开始执行新映像
4.执行从crt0.o开始，调用main()

2.3.6 程序终止

1.正常终止
2.异常终止

2.4 C语言中的函数调用

2.4.1 32位GCC中运行时堆栈使用情况

1.进程执行映像
2.每个CPU都有以下寄存器或同等寄存器：

  • PC（IP）：指向CPU要执行的下一条指令。
  • SP（SP）：指向栈顶。
  • FP（BP）：指向当前激活函数的栈帧。
  • 返回值寄存器（AX）：函数返回值的寄存器。

3.main函数由crt0.o调用。
4.每个函数入口，编译后的代码完成如下功能：

  • 将FP压栈，在堆栈上保存CPU的FP寄存器。
  • 让FP指向保存的FP#建立栈帧。
  • 向下移动SP为堆栈上的自动局部变量分配空间。
  • 编译后的代码可能继续向下移动SP，在堆栈上分配一些临时工作空间，用temps表示。

2.6 链接库

2.6.1 创建静态链接库
gcc -c mysum.c
ar rcs libmylib.a mysum.o
gcc -static t.c -L. -lmylib
a.out
2.6.2 创建动态链接库
gcc -c -fPIC mysum.c
gcc -shared -o libmylib.so mysum.o
gcc t.c -L. -lmylib
export LD_LIBRARY_PATH=./
a.out
posted @ 2022-09-04 22:29  20201229赵斌  阅读(104)  评论(0)  编辑  收藏  举报