APUE读书笔记-01UNIX系统概述
1、简介
所有的操作系统都为运行于其上的应用程序提供服务。典型的服务包括执行一个新的程序，打开一个文件，读取文件，分配内存空间，获取当前日期时间，等等。本文这里集中描述各种版本的UNIX操作系统所提供的服务。
本身知识就不是线性方式获取的，所以以严格的近似线性步进方式来说明UNIX、却不引用后面将要使用的一些术语，几乎是不可能的(这也是让人困扰的)。本章从程序设计人员的角度先快速浏览UNIX，并对书中引用的一些术语概念进行简要的说明并给出实例。在以后各章中，将作更详细的说明。本章也对想要熟悉UNIX环境的程序设计人员简要介绍了UNIX提供的各种服务。
译者注
原文参考
2、UNIX体系结构
严格来说，操作系统就是一个可以控制计算机硬件资源，以及为运行于其中的程序提供运行环境的软件。大体来说，我们可以将这个软件称作内核，因为它是处于整套环境核心的那个部分。下图就展示了这个体系结构。
UNIX操作系统体系结构
+------------------------+
| applications a|
| +-------------------x p|
| |s shell / p|
| |h+---------------/ l|
| |e| system calls | i|
| |l| +-----------+ | c|
| |l| | Kernel | | a|
| | | +-----------+ | t|
| | | system calls | i|
| | /---------------\ o|
| |/library routines \ n|
| x-------------------x s|
+------------------------+
内核的接口层被称作系统调用（从代码角度上看系统调用就好似函数，例如用于文件打开的 open ，读取的 read ，写入的 write 等），通过它们定义 UNIX 系统能够提供功能。
通用的库函数构建在系统调用接口之上（也就是类似 C 库等方便编程的程序 API 库其实最终会调用到系统调用，例如 fopen 函数，可以简单看做对系统调用的封装），应用程序可以构建在库函数之上也可以构建在系统调用之上（也就是，我们编写的应用程序，可以调用库函数，例如 strcpy ；也可以直接调用系统调用函数，例如 open ；来实现特定的功能）。
shell 是一个特殊的应用程序，它提供了运行其他程序的界面。
综上，大体来说，操作系统就是内核，提供了基本的功能；其他的软件使得我们可以用更人性化的方式使用计算机。其他的软件包括系统工具，应用程序，shells，通用函数库，等等。例如：Linux就是GNU下的操作系统的内核。有些人们喜欢将其称作GNU/Linux操作系统，但是一般更多的是简称其为Linux。尽管这不是严格准确地，但是它大致表达了所要表达的意思就够了。
译者注
这里，关于
shell 是一个特殊的应用程序，它提供了运行其他程序的界面。
类似微软的命令行 dos 操作系统， dos 下的命令就是一个个独立的应用程序，而 dos 本身是为用户提供的可以运行应用程序的“程序”；前面的说法不一定准确，因为 dos 本身究竟是操作系统还是操作系统本人还不清楚，但是不会影响理解，其实想说的是：UNIX系统下的 shell 提供了命令行交互方式操作环境，用户在其中敲入的命令就是一个个独立的应用程序，而提供这套交互环境的 shell 本身也是一种特殊的应用程序，而相对于命令行环境下的图形环境其实也是一种应用程序，这里就不说了。
原文参考
3、登陆
当我们登陆UNIX的时候，我们需要输入用户名称和密码。然后系统从一个密码文件中搜索我们输入的登陆名称，检查输入的密码是否匹配。这个密码文件一般是 /etc/passwd ，其中的每一行包含了当前系统的用户名称等信息，各种信息用 : 分割。
一个大致的例子如下：
sar:x:205:105:Stephen Rago:/home/sar:/bin/ksh
这一行分别表示了：
登陆名称(sar),加密密码(用X表示)，用户ID(即User ID，205)，组ID(即group ID，105)，注释（一些描述信息可以没有），用户主目录（/home/sar），登陆shell(也就是登陆时将启动的第一个程序，作为shell，这里是/bin/ksh)。
需要注意的是，由于安全性原因，当前系统一般都将实际加密的密码移到另外一个地方了（例如 /etc/shadow ），密码本身也经过了加密的处理。
译者注
原文参考
4、文件和目录
（1）文件系统
UNIX文件系统对目录和文件使用层次安排（树状），每一级目录或者文件，都属于该层次树中的某一层的节点。通过由树根开始的路径来表示到每个目录或者文件。例如，目录的起点称为根 ( root )，其名字是一个字符 / ，也表示根目录； /usr 则表示在 / 目录下面的一个文件 usr （或者 usr 也可是一个子目录，UNIX将目录看作特殊的文件）。
（2）路径
如前所叙述，0个或多个以斜线分隔的文件名序列(可以任选地以斜线开头)构成路径名（ pathname ），以斜线开头的路径形式的名称为绝对路径名（如前面所举的例子 /usr ） ，否则称为相对路径名。绝对路径，可以让我们通过树根开始，给出文件的完整精确名字，直接引用到该文件；而相对路径，就是相对于当前的路径而言的路径，有些时候，采用相对方式的引用，会比绝对路径更灵活。这里，需要注意的是当前路径用 . 表示，另外当前路径的父目录用 .. 表示。
例如 ./usr ，表示当前路径下的 usr 文件，相对路径中的文件最终都是对应绝对路径中的文件的，不过，具体对应哪个文件，视当前路径而定。
再例如，相对路径名 doc/memo/joe 指的是文件 joe ，它在目录 memo 中，而 memo 又在目录 doc 中， doc 则应是工作目录中的一个目录项。从该路径名可以看出， doc 和 memo 都应当是目录，但是却不清楚 joe 是文件还是目录。路径名 /urs/lib/lint 是一个绝对路径名，它指的是文件 (或目录) lint ，而 lint 在目录 lib 中， lib 则在目录 usr 中， usr 则在根目录中。
（3）工作目录
每个进程都有一个工作目录，有时称为当前工作目录。所有相对路径名都从工作目录开始解释（也就是一工作目录作为当前目录）。进程可以用 chdir 函数更改工作目录。
（4）家目录（ Home Directory ，有时又称起始目录，主目录）
表示用户刚刚登陆的时候，设置的当前路径。这个路径其实就是密码文件（例如 /etc/passwd ）中指定的用户主目录。如果用户登陆的时候直接进入 shell 命令行界面，那么可以通过命令 pwd 来查看当前的路径。
参考：
http://book.chinaunix.net/special/ebook/addisonWesley/APUE2/0201433079/ch01lev1sec4.html
译者注
原文参考
5、输入输出
（1）文件描述符号
文字描述符是一个小的非负整数，内核用以标识一个特定进程正在访问(读或者写)的文件。当内核打开一个或创建一个文件时，它就返回一个文件描述符。然后当读、写文件时，就可使用它。
例如在我们代码上，如下方式体现：
int fd = open("/usr/test", ...);
read(fd,...);
这里,表示使用系统调用 open 来打开 /usr/test 路径表示的文件，然后通过返回的文件描述符号 fd ，使用系统调用 read 读取其中的内容。( ... 表示系统调用 open 和 read 其他的参数 ,这里不讨论) 。
（2）标准输入、标准输出和标准错误
一般，每当运行一个新程序时，所有的shell都为其打开三个文件描述符：标准输入、标准输出以及标准错误。三个文件描述符号会被设置为引用（也就是被定向）某种文件（例如文本文件，或者设备文件）。一个直观的理解就是，一般来说，标准输入表示我们的键盘，我们键盘敲入字符就是标准输入中的字符了；标准输出就是我们看到的屏幕，程序的输出通过屏幕显示出来，这个屏幕显示出来的就是标准输出的内容；标准错误和标准输出差不多，就是当程序出错的时候，产生的错误输出也通过屏幕显示出来，这个时候显示的内容属于标准错误的内容。以上说的是默认的情况，大多数shell都提供一种方法，使任何一个或所有这三个描述符都能重新定向到某一个文件。
(a)例如对于输出重定向
$ls > file.list
如果直接执行 ls 命令，将会在当前标准输出上显示当前目录下所有的文件，而这里其标准输出重新定向到名为 file.list 的文件上。这个时候，我们就看不到程序 ls 的输出在屏幕上显示了，而是直接输出到了 file.list 文件里。标准输出的文件描述符号默认为1。
对于标准错误输出
$ls 2> file.list
表示，将 ls 出错时候的标准错误显示到 file.list 里面。标准错误输出的文件描述符号默认为2。
再者：
$ls 2>&1
表示，将 ls 的标准错误重定向到标准输出上。
而：
$ls &>file.list
表示，将 ls 的标准输出和标准错误都定向到文件 file.list 上。
以上，是对输出的重定向，如果 > 后面的文件当前存在，那么就会被清空，否则新建一个文件。如果想要追加内容到已有文件而不是清空，那么就用 >> 代替 > 。
(b)再给出一个标准输入重定向的例子
$xxx <fileinput
表示，将 xxx 的标准输入重新定向到文件中。这里 xxx 表示某个程序，它需要从用户键盘输入读取数据，而这样做之后，就直接将 fileinput 的内容作为用户键盘输入了。标准输入的文件描述符号默认为0。
（3）带缓存和不带缓存的输入输出
这一部分内容后面会提到。大体上，用一个读写的例子来描述，就是：我们使用系统调用 read ， write 等对文件描述符号的文件进行读写的时候，文件内容不经过缓存，直接从磁盘上被读取；
而如果我们使用标准输入输出方式进行操作（一般是通过库函数），那么操作的方式是通过一个指向某数据结构的指针，来操作文件，这时候读写的内容会先经过缓存，而这个数据结构（例如 FILE 类型）中就包含了文件描述符号，以及一些其他例如缓存等内容。具体我们可以看系统调用函数 read 以及 fread 函数之间的区别。在标准输入输出方式进行操作的时候，使用 stdin , stdout , stderr 表示标准输入，标准输出，和标准错误。
译者注
前面， “使用系统调用 read ， write 等对文件描述符号的文件进行读写的时候，文件内容不经过缓存”，这句话中，当然这里的缓存指的是缓冲，并不是没有缓存了，这里不经过缓存的意思是说：告诉系统调用操作多少，那么它就会尽量操作这些数据然后返回，即使数据小于缓存大小，也返回而不是缓存下来；若传入的数据量大于缓存容量那么就分多次操作，因为超过了缓存大小所以不得不分多次操作了。
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6、程序和进程
（1）程序
程序（ program ）是存放在磁盘文件中的可执行文件，是我们可以看得见得一个文件。通过使用6个 exec 函数中的一个由内核将程序读入存储器，并使其执行。 8.9节将说明这些 exec 函数。例如 shell 中，我们执行 ls 的时候， ls 实际就是程序名称，它就是一个实际的可执行文件，一般存放在 /usr/bin 目录下面。
（2）进程和进程 ID
程序的一次执行实例被称为进程（ process ）。当程序被加载到内存中执行的时候，它就变成了进程，也就是说，内存中运行该程序的一个实例，这个实例就是进程。一个程序可以对应多个进程，就好比我们同时执行了好多次 ls ，这个时候，每次执行 ls 的时候，都会将这个程序加载到内存中一次，相应就产生了对应着此次执行该程序的实例。每个UNIX进程都一定有一个唯一的数字标识符，称为进程 ID （ process ID ） ，进程 ID 总是一非负整数，用来表示运行的进程。
综上可知，程序只是一堆可执行代码，“静态”地存放在磁盘上面。而进程就是每次执行程序的时候，被加载到内存中开始运行的“动态”的实例。程序只是一个可执行的文件，也就是我们编写代码之后，编译、链接出来的一个结果，而进程就是这个编译链接出来的结果程序，真正运行的过程。本书后面会对进程的各种控制（创建、终止、开始、停止等）进行详细讲述。
译者注
前面， “使用系统调用 read ， write 等对文件描述符号的文件进行读写的时候，文件内容不经过缓存”，这句话中，当然这里的缓存指的是缓冲，并不是没有缓存了，这里不经过缓存的意思是说：告诉系统调用操作多少，那么它就会尽量操作这些数据然后返回，即使数据小于缓存大小，也返回而不是缓存下来；若传入的数据量大于缓存容量那么就分多次操作，因为超过了缓存大小所以不得不分多次操作了。
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7、错误处理
当UNIX函数出错时，往常返回一个负值，同时将整型变量 errno 设置为具有特定信息的一个值。例如， open 函数如成功执行则返回一个非负文件描述符，如出错则返回 -1 ，同时设置 errno 。在 open 出错时，有大约15种不同的 errno 值(文件不存在，许可权问题等)。
这里的 errno 就是一个系统的全局变量。文件 <errno.h> 中定义了变量 errno 以及可以赋与它的各种常数,这些常数都以E开头。关于 errno 的具体信息，可以参见系统的用户手册（例如在我的LINUX上面可以运行 man 7 errno ）。POSIX中将它定义为：
extern int errno;
译者注
前面， “使用系统调用 read ， write 等对文件描述符号的文件进行读写的时候，文件内容不经过缓存”，这句话中，当然这里的缓存指的是缓冲，并不是没有缓存了，这里不经过缓存的意思是说：告诉系统调用操作多少，那么它就会尽量操作这些数据然后返回，即使数据小于缓存大小，也返回而不是缓存下来；若传入的数据量大于缓存容量那么就分多次操作，因为超过了缓存大小所以不得不分多次操作了。
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8、用户标识
（1）用户ID
前面所述的密码文件中的登录项中的用户 ID （ user ID ）是个数值，用于向系统标识各个不同的用户。通常每个用户有一个唯一的用户 ID ，不同用户对系统具有不同的权限（例如可以访问哪些文件，执行什么程序等）。用户 ID 为0的用户为根( root )或超级用户( superuser )。在密码文件中，其登录名为 root ，我们称这种用户的特权为超级用户特权，它具有整个系统无上的管理权限。_
（2）组 ID
密码文件中的登录项也包括用户的组 ID （ group ID ），它也是一个数值。一般来说，在密码文件中有多个记录项具有相同的组 ID 。在UNIX下，组被用于将若干用户集合到某一共同的课题或部门中去。这种机制允许同组的各个成员之间共享资源(例如文件)。4.5节将讲述到，可以设置文件的许可权使组内所有成员都能存取该文件，而组外用户则不能。
组文件将组名映射为数字组 ID ，它通常是 /etc/group 。对于用户而言，使用名字比使用数值方便，所以密码文件包含了登录名和用户 ID 之间的映射关系，而组文件则包含了组名和组 ID 之间的映射关系。另外，除了在密码文件中对一个登录名指定一个组 ID 外，某些UNIX版本还允许一个用户属于另外一些组。
译者注
前面， “使用系统调用 read ， write 等对文件描述符号的文件进行读写的时候，文件内容不经过缓存”，这句话中，当然这里的缓存指的是缓冲，并不是没有缓存了，这里不经过缓存的意思是说：告诉系统调用操作多少，那么它就会尽量操作这些数据然后返回，即使数据小于缓存大小，也返回而不是缓存下来；若传入的数据量大于缓存容量那么就分多次操作，因为超过了缓存大小所以不得不分多次操作了。
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9、信号
信号是通知进程发生某种条件的一种技术。例如，若某一进程执行除法操作，其除数为0，则将名为 SIGFPE 的信号发送给该进程。进程有三种选择处理信号：
- 忽略该信号: 有些信号表示硬件异常，例如，除以0或访问进程地址空间以外的单元等，因为这些异常产生的后果不确定，所以不推荐使用这种处理方式。
- 按系统默认方式处理: 对于0除，系统默认方式是终止该进程。其它信号有不同的默认行为。
- 提供一个处理函数，信号发生时则调用该函数: 使用这种方式，我们将能知道什么时候产生了信号，并按所希望的方式处理它。
通过系统的用户手册，我们可以了解具体有哪些信号，以及它们的编号（例如我在Linux上运行 man 7 signal 将显示当前Linux支持的信号信息）。我们可以使用 kill 函数，产生特定的信号，发送给指定的进程（当然我们必需是该进程的所有者）；也可以通过键盘的方式，敲入特殊按键，产生信号。例如，我们运行 ls 程序之后，立即键入 [Ctrl]+C ，这样会导致 ls 运行完成之前中止，因为 [Ctrl]+C 的意思就是给当前终端上运行的程序发送终止信号（这里我给出的例子其实不太好， ls 命令执行的比较快，如果目录中文件不多的话，这里需要你键入的速度足够快才能看到效果，否则没等你键入， ls 就执行完了，就看不到效果了_）。
译者注
前面， “使用系统调用 read ， write 等对文件描述符号的文件进行读写的时候，文件内容不经过缓存”，这句话中，当然这里的缓存指的是缓冲，并不是没有缓存了，这里不经过缓存的意思是说：告诉系统调用操作多少，那么它就会尽量操作这些数据然后返回，即使数据小于缓存大小，也返回而不是缓存下来；若传入的数据量大于缓存容量那么就分多次操作，因为超过了缓存大小所以不得不分多次操作了。
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10、关于进程时间
为了衡量一个进程的执行时间，unix使用三个值：
-
Clock time: 运行这个进程所花费的时间，这个时间还依赖于系统上执行的其他进程的数量。一般我们假设系统上没有其他进程运行。 -
User CPU time: 运行这个进程所花费的用户cpu时间。也就是执行用户（和内核相对）指令所花费的时间。 -
System CPU time: 运行这个进程所花费的系统（内核）cpu时间。也就是进程在核心态下所消耗的时间，例如调用系统调用。
用户 cpu 时间和系统 cpu 时间统称进程的 cpu 时间。进程时间可以使用 clock tick 来衡量，例如一秒钟 50 个 clock tick. 测量一个程序的占用时间可以使用 time 命令。
这里，再次总结一下， Clock time 应该是我们看到的程序运行到结束的总时间，包括实际运行时间，以及由于调度产生的等待时间；而 User+System 为 cpu 时间，也就是除了进程调度和等待等因素后，纯粹的执行时间，也就是占用 cpu 的时间； user 表示在用户空间占用的 cpu 时间， system 表示在内核空间占用的 cpu 时间例如系统调用（一般来说，一次系统调用的时间开销，要比用户空间的一次调用开销大）。
译者注
前面， “使用系统调用 read ， write 等对文件描述符号的文件进行读写的时候，文件内容不经过缓存”，这句话中，当然这里的缓存指的是缓冲，并不是没有缓存了，这里不经过缓存的意思是说：告诉系统调用操作多少，那么它就会尽量操作这些数据然后返回，即使数据小于缓存大小，也返回而不是缓存下来；若传入的数据量大于缓存容量那么就分多次操作，因为超过了缓存大小所以不得不分多次操作了。
原文参考
11、关于系统调用和库函数
对于系统调用和库函数的关系，前面大致介绍过，这里再次对此进行说明。
（a）系统调用是用户和内核交互的接口，用来请求内核提供相应服务
原来的系统调用接口是用汇编声明，现在用c语言函数方式声明了，其具体的实现方式就不一定是什么了。这样使得用户只需要像用c语言函数一样地，通过包含其声明的头文件，使用系统调用就行了，而不用关心其内部是怎么实现的。
（b）c语言的库函数是用c语言实现的，它一般是需要调用系统调用来实现的
系统调用一般和一些c语言的库函数名称一样，用户可以像使用库函数一样使用系统调用，但是两者不同，可以自己定义库函数来取代原来的库函数，而系统调用是无法取代的。例如 malloc 库函数就是用 sbrk 系统调用实现的。 system 库函数就是用 fork 和 exec 系统调用实现的。
（c）系统调用接口简洁，并且提供了所有的功能，但是不如库函数友好。而库函数可以简单理解成是对系统调用的“封装”
注意，一般 man 手册里面，其第2节的内容是系统调用，第3节的内容是库函数（这一点在前面的预备知识中已经提到过）。
译者注
前面， “使用系统调用 read ， write 等对文件描述符号的文件进行读写的时候，文件内容不经过缓存”，这句话中，当然这里的缓存指的是缓冲，并不是没有缓存了，这里不经过缓存的意思是说：告诉系统调用操作多少，那么它就会尽量操作这些数据然后返回，即使数据小于缓存大小，也返回而不是缓存下来；若传入的数据量大于缓存容量那么就分多次操作，因为超过了缓存大小所以不得不分多次操作了。
原文参考
总结
本章简单对UNIX系统进行了一下概要说明。我们对一些我们将要遇到的基本的术语进行了解释，后面将会经常提到并且进一步解释它们。
译者注
前面， “使用系统调用 read ， write 等对文件描述符号的文件进行读写的时候，文件内容不经过缓存”，这句话中，当然这里的缓存指的是缓冲，并不是没有缓存了，这里不经过缓存的意思是说：告诉系统调用操作多少，那么它就会尽量操作这些数据然后返回，即使数据小于缓存大小，也返回而不是缓存下来；若传入的数据量大于缓存容量那么就分多次操作，因为超过了缓存大小所以不得不分多次操作了。
