《UNIX 环境高级编程》笔记 - UNIX 基础知识

UNIX 体系结构

从严格意义上说，可将操作系统定义为一种软件，它控制计算机硬件资源，提供程序运行环境。我们通常将这种软件称为 内核（kernel），因为它相对较小，而且位于环境的核心。

内核的接口被称为 系统调用（system call）。公共函数库 构建在系统调用接口之上，应用程序 既可以使用公共函数库，也可以使用系统调用。shell 是一个特殊的应用程序，为运行其它应用程序提供了一个接口。

+----------------------------+
|               Application  |
|    +---------+             |
|    |  Shell  |             |
|    |  +------+--------+    |
|    |  |  System Call  |    |
|    |  |  +--------+   |    |
|    +--|  | Kernel |   |    |
|    |  |  +--------+   |    |
|    |  +---------------+    |
|    |  Public Library  |    |
|    +------------------+    |
|                            |
+----------------------------+

从广义上说，操作系统包括了内核和一些其它软件，这些软件使得计算机能够发挥作用，并使计算机具有自己的特性。这里所说的其它软件包括系统实用程序（system utility）、应用程序、shell 以及公用函数库等。

例如，Linux 是 GNU 操作系统（比如 Ubuntu）使用的内核。

系统调用和库函数

所有的操作系统都提供多种服务的入口点，由程序向内核请求服务。各种版本的 UNIX 实现都提供良好定义、数量有限、直接进入内核的入口点，这些入口点被称为系统调用。

系统调用接口总是在《UNIX 程序员手册》的第 2 部分中说明，是用 C 语言定义的，与具体的 UNIX 实现技术无关。

UNIX 系统调用的使用方式是为每个系统在标准 C 库中设置一个具有相同名字的函数。用户进程用标准 C 函数的调用方式来调用这些函数，然后，这些函数会用系统所要求的技术来调用相应的内核服务。从应用角度考虑，可将系统调用看作为 C 函数。

《UNIX 程序员手册》的第 3 部分定义了程序员可以使用的公共函数库。虽然这些函数可能会调用一个或多个内核的系统调用，但是它们并不是内核的入口点。

从实现角度来看，系统调用和库函数之间有着本质的区别，但从应用角度来看，这些区别并不重要。如果可以的话，我们可以替换库函数，但是系统调用通常是不能被替换的。

以存储空间分配函数 malloc 为例。有多种方法可以进行存储空间分配，以及与其相关的无用空间的回收操作（最佳适应、首次适应等），并不存在对所有程序都是最优解的一种技术。UNIX 系统调用中处理存储空间分配的是 sbrk(2)，它不是一个通用的存储管理器。它按指定字节数增加或减少进程地址空间，如何管理该地址空间却取决于进程的具体行为。存储空间分配函数 malloc(3) 实现一种特定类型的分配，如果我们不喜欢其操作方式，则可以定义自己的 malloc 函数，但它很可能会使用 sbrk 系统调用。事实上，有很多软件包（例如 Redis 中可使用的 jemalloc）使用 sbrk 系统调用实现自己的存储空间分配算法。

内核中的 sbrk 系统调用分配一块空间给进程，而库函数 malloc 则在用户层次管理这一空间。

应用程序既可以调用系统调用，也可以调用库函数。很多库函数则会调用系统调用。

+---------------+                +------------------------+
| +-----------+ |                |          +-----------+ |
| |Application| |                |          |Application| |
| +-----------+ |                |          +-----------+ |
|    ^ ^ ^      |  User Process  | +---------+   ^        |
|    v v v      |                | |C Library|   |        |
|  +--------+   |                | +---------+   |        |
|  | malloc |   |                |     ^         |        |
|  +--------+   |                |     |         |        |
+---------------+                +-----|---------|--------+
      ^ ^ ^                            |         |
      | | |                            |         |
      v v v                            v         v
+---------------+                +------------------------+
|     |sbrk|    |                |                        |
|     +----+    |   Kernel       |      System Call       |
|               |                |                        |
+---------------+                +------------------------+

系统调用和库函数之间的另一个区别是：系统调用通常提供一种最小接口，而库函数通常提供比较复杂的功能。 从 sbrk 系统调用和 malloc 库函数之间的差别中可以看到这一点。比较不带缓冲的 I/O 函数和标准 I/O 函数时，也能看到这种差别。