Linux System Programming 学习笔记(一) 介绍

1. Linux系统编程的三大基石：系统调用、C语言库、C编译器

系统调用：内核向用户级程序提供服务的唯一接口。在i386中，用户级程序执行软件中断指令 INT n 之后切换至内核空间

用户程序通过寄存器告知内核执行系统调用的所需参数

 

2. API 和 ABI

API：application programming interface 定义源码级接口，必须确保源码级兼容

ABI：application binary interface 定义二进制接口，必须确保二进制兼容

ABI包括：调用约定、字节序、寄存器使用、系统调用、链接、二进制文件格式

调用约定：定义了 函数如何调用、参数如何传递、寄存器使用、调用者恢复返回值

ABI与机器体系结构密切相关，不同体系结构的机器具有不同的ABI

 

3. 文件

文件是在linux中最基本和最基本的抽象。

内核在并发文件访问上没有任何限制条件，多个进程可以对同一个文件同时进行读写操作

用户级程序必须相互协调以确保并发文件访问得到正确的同步

 

每个文件在文件系统内都是通过唯一的inode编号来引用，inode节点包含了文件绝大部分信息，对应于系统调用stat

通过inode编号来存取文件非常繁琐，因此 用户级程序都是通过文件名而不是文件的inode编号来访问

目录就是用来将人类可读的文件名映射为 文件系统内相应的inode编号，目录项(dentry)就是存储诸对映射的哈希表

目录仅仅包括文件名到inode编号的映射，内核使用这个映射来执行 finename-to-inode 决议

 

例如打开 /home/blackbeard/concorde.png

内核顺沿路径名的目录项(内核里称为 dentry) 来查找 下一个entry的inode

内核首先从 / 开始，获取 home 的inode，然后从home的目录项获取 blackbeard 的inode，最后从blackbeard的目录项获取concorde.png的inode，通过最后得到的inode打开文件

内核通常使用 dentry cache (目录项缓存) 来加速 目录决议

 

硬链接：多个不同的文件名映射到同一inode

硬链接允许我们多个路径名指向同一数据，每个inode记录一个指向它自己的链接数，只有当链接数减少至0时，才能从文件系统移除inode

硬链接不能跨文件系统，因为在inode自身的文件系统之外，inode编号是没有意义的。

 

符号链接：可以跨文件系统的链接

 

字符设备：类似字节队列，按照队列顺序依次读取字符，键盘就是字符设备

块设备：类似字节数组

命名管道：进程间通信机制 

套接字：提供不同机器之间的进程间通信

 

文件系统是组织文件和目录形成的合理的层次体系。文件系统可以独自地从全局命名空间中添加或移除，称为 挂载 和 卸载

 

4. 进程

进程是正在执行的目标代码。

进程开始于可执行目标代码，Linux最常用的格式为 ELF

ELF中最重要的是 文本段、数据段 和 bss段：

文本段包括 可执行代码和只读数据，比如 常量

数据段包括 初始化数据

bss段包括 未初始化的全局数据。当bss段加载进内存时，内核会对该段映射 zero page(a page of all zero)

 

进程只能通过系统调用来请求和管理资源(包括计时器、信号、打开文件、网络连接、硬件、IPC机制)

进程是虚拟化抽象，Linux内核通过 抢占式多任务 和 虚拟内存 来提供 处理器虚拟化 和 内存虚拟化

从进程角度来看，进程独占cpu，每个进程都有单一的线性地址空间

 

Linux中，进程遵循严格的层次体系，即 进程树

进程树的根节点是 init 进程，新进程通过fork创建， 如果父进程在子进程之前结束，那么内核将该子进程挂在 init 父进程之下

一个子进程终止时，并不立即从内核移除，而是等待其父进程通过wait查询其终止状态。只有父进程wait之后，该进程才完全消亡。

一个已经终止，但是仍未被父进程wait的进程称为 僵死进程

 

5. 用户权限

 

6. 信号

信号是一种异步通知机制

SIGKILL：always terminates the process

SIGSTOP：always stops the process