实战Linux编程精髓

.3.1 linux/unix地址空间 39
3.2 内存分配 42
3.3 小结 60
练习 60
第4章 文件和文件i/o 63
4.1 介绍linux/unix i/o模型 63
4.2 介绍基本的程序结构 64
4.3 确定出了什么问题 65
4.4 输入与输出 70
4.5 随机访问：在文件内部移动读写位置 78
4.6 创建文件 81
4.7 强迫数据存到磁盘上 86
4.8 设置文件长度 87
4.9 小结 88
练习 88
第5章 目录和文件元数据 91
5.1 仔细思考目录的内容 91
5.2 创建和删除目录 100
5.3 读取目录 102
5.4 获取文件相关信息 107
5.5 修改所有权、权限和修改时间 119
5.6 小结 125
练习 125
第6章 通用库接口——第一部分 127
6.1 时间和日期 127
6.2 排序和搜索函数 138
6.3 用户名和组名 150
6.4 终端：isatty() 154
6.5 推荐读物 155
6.6 小结 155
练习 156
第7章 综合应用：ls 159
7.1 v7 ls命令选项 159
7.2 v7 ls命令的源代码 160
7.3 小结 173
练习 173
第8章 文件系统和目录遍历 175
8.1 安装和卸载文件系统 175
8.2 用于文件系统管理的文件 182
8.3 获得每个文件系统的信息 187
8.4 在文件层次结构中移动 197
8.5 在文件树中移动：gnu du 206
8.6 改变根目录：chroot() 212
8.7 小结 213
练习 214
第2部分
第9章 进程管理和管道 217
9.1 进程创建和管理 217
9.2 进程组 237
9.3 基本的进程间通信：管道和fifo 239
9.4 文件描述符管理 243
9.5 例子：gawk中的双向管道 255
9.6 推荐读物 258
9.7 小结 259
练习 260
第10章 信号 263
10.1 引言 263
10.2 信号处理 264
10.3 标准c信号：signal()和raise()函数 264
10.4 运转中的信号处理器 268
10.5 system v版本3的信号api：sigset()等函数 277
10.6 posix信号 279
10.7 进程间通信信号 287
10.8 一些重要的专用信号 290
10.9 横跨fork()和exec()函数的信号 303
10.10 小结 303
练习 305
第11章 权限、用户id号及组id号 307
11.1 权限检查 307
11.2 获取用户id和组id 310
11.3 核准作为真实用户：access()函数 312
11.4 核准作为有效用户：euidaccess()函数（glibc） 313
11.5 设置目录的额外权限标志位 314
11.6 设置真实id和有效id 316
11.7 处理三种id：getresuid()和setresuid()（linux） 320
11.8 穿越安全雷区：setuid root 321
11.9 推荐读物 322
11.10 小结 322
练习 323
第12章 通用库接口——第二部分 325
12.1 断言语句：assert()宏 325
12.2 底层内存操作：memxxx()函数 328
12.3 临时文件 332
12.4 自杀：abort()函数 339
12.5 非局部转移 339
12.6 伪随机数 346
12.7 元字符扩展 351
12.8 正则表达式 360
12.9 推荐读物 366
12.10 小结 367
练习 368
第13章 国际化和本地化 371
13.1 引言 371
13.2 区域设置和c语言库 372
13.3 程序消息的动态翻译 387
13.4 请把它拼写出来，好吗？ 399
13.5 推荐读物 401
13.6 小结 401
练习 402
第14章 扩展接口 403
14.1 分配对齐的内存：posix_memalign()和memalign()函数 403
14.2 文件锁定 404
14.3 更精确的时间 413
14.4 使用二叉树进行高级搜索 419
14.5 小结 428
练习 428
第3部分
第15章 调试 433
15.1 首要问题 434
15.2 为调试而编译 434
15.3 gdb基础 434
15.4 为调试而编程 440
15.5 调试工具 462
15.6 软件测试 482
15.7 调试规则 483
15.8 推荐读物 485
15.9 小结 485
练习 486
第16章 综合前面所有主题的工程 489
16.1 工程描述 489
16.2 推荐读物 491
第4部分
附录a 十年学会编程 495
为何人人都这么着急? 495
十年学会编程 496
参考文献 497
答案 498
脚注 498
附录b caldera原始unix许可证 499
附灵c gnu通用公共许可证 501
序言 501
复制、发布和修改的条款和条件 502
没有担保 504
条款和条件的结束 504
如何将这些条款运用于你的新程序 504
应用示例 505

.　　因此，我们不是将所有内容组织在一本大部头书里，而是划分成几册：一册介绍IPC（Interprocess Communication，进程间通信）和网络编程；另一册介绍软件开发和代码移植。同时我们也关注另外的《实战Linux编程》系列，来介绍如线程编程和GUI程序设计等的主题。
　　书中介绍的API包括了系统调用和库函数。事实上，在C语言的层面上，它们都表现为简单的函数调用。一方面，系统调用是对系统服务的直接请求，如读或写文件、创建进程等。另一方面，库函数则运行在用户态，有可能从来不向操作系统申请任何服务。有关系统调用的文档见参考手册的第2节（也可以在线地用man命令查看），库函数相关文档在第3节。
　　我们的目标是通过实例来介绍如何使用Linux API，特别是尽可能地通过使用早期Unix源代码和GNU工具来掌握API。然而，要找到那么多的独立而完备的实例非常困难。所以，我们也编写了相当多的小型的演示程序。我们十分强调编程的规范，特别是在GNU编程方面，如“无任何限制（no arbitrary limits）”，它们使得GNU工具成为十分优越的程序。
　　我们有意地选择了最常用的程序。只要曾经使用过GNU/Linux，你就已经理解了如ls和cp这样的程序的作用。这样，你就无需花大量的时间去学习它们是做什么的，而可以直接深入地去考查这段程序是如何工作的。
　　有时，我们同时讲述了实现某项功能的两种方式，即通过上层标准接口和通过底层接口。通常情况下，上层标准接口是通过调用底层接口或底层构件来实现的。我们希望揭示这些“内幕”有助于你理解它们工作的细节。但是在你编写的所有代码中，应该只使用上层的标准接口。
　　同样，我们有时候介绍一些实现特定功能的函数，然后会劝告（会给出原因）你尽量避免使用它们！这样做的主要原因是，在遇到这些函数的时候，你仍能够辨认它们，进而能够理解调用它们的代码。要全方位地掌握一个主题，你不仅应该知道能做什么，而且更应该明白应该做什么，不应该做什么。
　　最后，每章都用练习题作为结束。一些题目要求修改或者编写代码，另外一些是更类似于“思考练习”或者“为什么你认为……”这一类的题目。强烈建议你完成所有的练习——它们能够有助于你巩固对正文内容的理解。
　　短小即精美：Unix程序
　　Hoare定律：
　　“在每个大型程序内部，都有一个核心小型程序体现其关键行为。”
　　－C.A.R. Hoare－
　　最初，我们准备仅仅用GNU工具程序中的代码来介绍Linux API。但是，在当前版本中，即使是简单的命令行程序（如mv和cp）也很大而且呈现多种特征。各种GNU标准工具中的程序更是如此：允许长短不等的选项，进行所有POSIX标准要求的处理，甚至还经常允许一些额外的看上去与实际处理无关的选项（如高亮输出）。
　　这样就存在一个合乎情理的问题：“在这么大而混乱的森林中，我们如何关注于一两棵关键的树呢？”换句话来说，如果展示当前的多特征的程序，我们如何可能关注潜在其中的核心操作呢？
　　Hoare定律 启发我们从早期的UNIX程序中寻找示例代码。早期的V7 Unix工具程序都非常短小和简单，这样很容易观察其处理过程，以及理解如何使用系统调用。（V7大约发布于1979年，它是所有当前Unix系统，包括GNU/Linux和BSD系统的公共发源）。
　　许多年以来，Unix源代码一直受到版权和商业保密许可协议的保护，以至于不可能公开，很难用于学习。所有的商业Unix源代码也都是如此。但是，在2002年，Caldera（目前的SCO）使早期的Unix代码（从V7到32V Unix）在一个开放源码许可证（参见附录B，“Caldera Ancient UNIX License”）的保护下可用。因而，我们才能够在这本书中使用早期Unix系统中的代码。
　　标准
　　全书中，我们涉及了几种不同的正式标准。标准是描述某一事物如何工作的文档。正式标准规定了事物的很多方面，比如对于墙上的电源插座的外观、布局和插孔都由一个正式的国家标准来规定，这样可以保证一个国家内的所有电源线插头都能和电源插座相匹配。
　　同样，计算机系统方面的正式标准规定了计算机的预期行为。这使得开发者和用户明白他们的软件应该能做些什么，并且，当软件出现故障的时候，可以投诉软件提供商。
　　与本书相关的标准有：
　　（1）ISO/IEC International Standard 9899：Programming Languages——C，1990。第一个针对C程序设计语言的正式标准。
　　（2）ISO/IEC International Standard 9899：Programming Languages——C，第二版，1999。第二个（也是目前的）针对C程序设计语言的正式标准。
　　（3）ISO/IEC International Standard 14882：Programming Languages——C++，1998。第一个针对C++程序设计语言的正式标准。
　　（4）ISO/IEC International Standard 14882：Programming Languages——C++，2003。第二个（也是目前的）针对C++程序设计语言的正式标准。
　　（5）IEEE Standard 1003.1-2001：Standard for Information Technology――POSIX?（Portable Operation System Interface，可移植操作系统接口）。当前版本的POSIX标准；描述了Unix和类Unix系统的预期行为。这个版本包括了C和C++程序员可见的系统调用接口和库函数接口，用户可见的shell接口和工具接口。它包括几个部分：
　　— Base Definitions。术语、工具性程序和头文件等的定义。
　　— Base Definitions——Rationale。解释和说明工具性程序被选入或未被选入标准的原因。
　　— System Interface。包括系统调用和库函数。POSIX统称它们为“函数”。
　　— Shell and Utilities。shell编程语言和在进行shell编程时可交互使用的实用工具。
　　虽然阅读程序语言标准比较乏味，但也许你可能希望购买C语言标准的一份拷贝：它给出了该语言的最终定义。这些拷贝可以从ANSI 和ISO 购买。（PDF版的C语言标准十分实惠）。
　　POSIX标准可以向The Open Group 订购。从发布目录到“CAE Specifications”下列出的条目，你能够找到针对标准的各个部分的单独页（命名为“C031”到“C034”）。每页都提供了相应部分标准的在线HTML版本的免费链接。
　　POSIX标准是专门为Unix和类Unix系统的实现而提出的，它也能适用于非Unix系统。因此，它提供的基本功能是Unix系统提供的功能的子集。但是，POSIX标准还定义了可选的扩展部分——辅助功能，比如提供线程和实时方面的支持。其中对我们最重要的扩展部分是XSI（X/Open System Interface，X/Open系统接口），它描述了早期Unix系统中用到的工具性程序。
　　我们给全书中的每个API都标注了它的针对标准的适用性：只适用于ISO C、POSIX、XSI、GLIBC其中一种标准；或者没有标注特定的标准，这时指普遍适用。
　　多特性且功能更强：GNU程序
　　如果我们只是局限于早期Unix代码，那么这本书就成了一本有趣的历史书，它在21世纪将不是十分有用。当前的程序不再像早期Unix系统那样受许多的约束（内存、CPU功耗、磁盘空间、速度等等）。此外，它们还得适应多种语言的环境——仅ASCII码和美国英语明显不够。
　　更为重要的是，自由软件联盟（Free Software Foundation）和GNU Project 明确提倡的首要的自由之一就是“可自由地学习”。GNU程序旨在提供一个巨大的优良的程序集合，从而可以提供给编程新手们作为学习资源。
　　通过使用GNU程序，我们力图达到的目标是：向你展示优良的和最新的程序，从中你可以学习到如何编写良好的代码以及如何很好地使用各种API。
　　我们觉得GNU软件更好，是因为它的自由（free取意为“自由”，而不是“免费啤酒”中的免费）。同时在技术上，GNU软件也通常好于对应的Unix软件。这一点我们会在第1.4节“为什么GNU程序更好？”中专门阐述其原因。
　　大量的GNU示例代码取自gawk（GNU awk）项目。这是因为我们非常熟悉那些代码，从而能更好地从中提取实例。后面我们就不特别声明程序出处了。
　　各章内容概要
　　开车是一个全盘的过程，涉及到多个同时发生的动作。Linux编程在很大程度上也和开车一样，需要理解API的多个方面，如文件输入/输出、文件元数据、目录、时间信息的存储等等。
　　本书的第1部分介绍足够多的独立的主题，使你能学习第一个重要的程序——V7系统的ls程序。然后通过考查文件的层次结构、文件系统的工作方式和如何使用文件系统来结束对文件和用户的介绍。
　　第1章，“引言”
　　描述Unix和Linux的文件和进程模型；考查原始C（Original C）和1990版本的标准C之间的差别；综述使得GNU程序通常优于标准Unix程序的因素。
　　第2章，“参数、选项和环境”
　　描述C程序是如何访问并处理命令行参数和选项的，并解释如何在环境下工作。
　　第3章，“用户级内存管理”
　　综述在执行进程中可用的不同种类的内存空间。用户级内存管理是每个重要应用的关键，所以有必要尽早理解它。
　　第4章，“文件和文件I/O”
　　讨论基本的文件输入/输出，展示如何创建和使用文件。理解这一主题对学习后面的内容非常重要。
　　第5章，“目录和文件元数据”
　　叙述目录、硬链接和符号链接的工作原理。然后描述文件元数据，如文件所有者、文件许可等，还包括如何进行目录操作。
　　第6章，“通用库接口——第一部分”
　　考查第一组通用编程接口，通过它们能够有效地使用文件元数据。
　　第7章，“综合应用：ls”
　　将前面介绍的内容结合在一起，分析V7系统中的ls程序。
　　第8章，“文件系统和目录遍历”
　　阐述文件系统是如何安装和卸载的，以及程序如何辨识已安装的文件系统。同时，描述程序是如何顺利地遍历整个文件层次结构，并在此过程中，遇到每个对象时采取适当的动作。
　　本书的第二部分涉及进程的创建和管理、用管道和信号来进行进程间通信、用户和组标识以及其他的通用编程接口。随后描述GNU的gettext与国际化；最后讲述几个高级的API。
　　第9章，“进程管理和管道”
　　考查进程的创建、程序的执行、采用管道的进程间通信，以及文件描述符管理，包括非阻塞输入/输出。
　　第10章，“信号”
　　讨论信号，它是进程间通信的一种简单有效的形式。同时，信号在父进程管理其子进程的过程中也扮演了重要的作用。
　　第11章，“权限、用户ID号及组ID号”
　　关注如何标识进程和文件，如何进行权限检查，以及setuid和setgid的工作机制。
　　第12章，“通用库接口——第二部分”
　　介绍剩下的通用API，其中许多都要比前面介绍的那组通用API更加专用。
　　第13章，“国际化和本地化”
　　解释如何使你的程序适应于多种语言，同时尽可能减少工作量。
　　第14章，“扩展接口”
　　描述前面章节介绍过的一些接口的扩展版本，以及详细地讨论文件锁问题。
　　我们用一章来讨论调试，以完善本书的内容。因为（几乎）没有人能够在第一次就完美地解决问题。之后我们还提出了一个总结性的工程项目，以巩固你对本书中介绍的各种API的理解。
　　第15章，“调试”
　　描述使用GDB调试器的基础，尽可能多地把我们的程序设计中的调试经验表述出来，随后介绍几个适用于不同调试过程的有用的工具。
　　第16章，“综合前面所有主题的工程”
　　给出一个使用到本书中讨论过的所有主题的重要的程序设计项目。
　　最后，几个附录牵涉到相关的主题，包括本书中使用的源代码的许可证。
　　附录A，“十年学会编程”
　　一句有名的谚语是“罗马非朝夕建成；伟业非一日之功。”同样，不经过长时间的学习和实践，也不能完全理解和精通Linux/Unix程序设计。出于这个目的，我们引用了Peter Norvig的这篇文章，强烈推荐你读一读。
　　附录B，“Caldera原始UNIX许可证”
　　本书使用的Unix源代码的许可证。
　　附录C，“GNU通用公共许可证”
　　本书使用的GNU源代码的许可证。
　　排版约定
　　如同所有的计算机相关书籍一样，我们采用特定的排版约定来表述不同信息。用等宽字体表示存在于计算机中的名称，如文件名（foo.c）和命令名（ls，grep）。需要你键入的简短的代码片断使用单引号引起来：‘ls -l *.c’。
　　$和]是Bourne shell的主提示符和从提示符，它们用来展示交互实例。用户输入（User input）会采用和常规的计算机输出（computer output）不同的字体来表示。如下例所示：
　　我们选择了Bourne shell和它的变体（ksh93、Bash），而不是C shell。所以，我们只给出了在Bourne shell下呈现的实例。请注意C shell的引用和行连接规则是与Bourne shell有区别的。如果你使用C shell，自己一定要小心！
　　对于程序中的函数，我们在函数名后面附加了一对空的圆括号：printf()，strcpy()。对于手册页（通过man命令访问），我们遵循标准Unix约定，标准形式是将命令或函数名用斜体字表示，节号放在圆括号中紧跟在其后：awk(1)，printf(3)。
　　如何获得Unix和GNU源代码
　　你也许希望得到本书中我们使用的程序的拷贝，以便自己进行试验和复习。所有的源代码都可以从因特网上得到，另外，你的GNU/Linux发布中也包含了GNU工具程序的源代码。
　　Unix代码
　　TUHS（The UNIX Heritage Society，UNIX继承协会）负责维护多种“古老”版本Unix的存档资料，其网址是：http://www.tuhs.org。
　　最令人兴奋的是，可以通过网页在线浏览早期Unix源代码资料，从这个链接开始访问：http://minnie.tuhs.org/UnixTree/。本书采用的所有的Unix实例代码来自于Seventh Edition Research UNIX System，也就是大名鼎鼎的“V7”。
　　TUHS站点本身位于澳大利亚，世界各地还有许多对这些资料的镜像站点——参见http://tuhs. org/archive_sites.html。这个网页还指出可以使用rsync来镜像这些资料。（rsync是GNU/Linux系统的标准部分，如果你没有rsync，参见http://rsync.samba.org/。）
　　你需要大约2G到3G字节的磁盘空间来存放所有资料的拷贝。拷贝时，创建一个空目录，然后在该目录下，运行如下命令：
　　你可能希望忽略拷贝Trees目录，其中包含几个衍生版本的Unix，它们占据大概700MB字节的磁盘空间。
　　你还可以通过查阅TUHS的邮件列表，查看在你附近是否有人可以提供CD-ROM形式的资料拷贝，从而避免在因特网上传输如此大的数据。
　　澳大利亚的Southern Storm Software公司已经成功将一部分V7用户层代码进行了修改和升级，使它们可以在目前的系统上编译并运行，特别是这些系统也包括了GNU/Linux。这些代码可以从这个公司的网站 下载。
　　有趣的是V7代码本身不含任何版权和许可声明。其设计者主要是出于自己研究的目的而编写这些代码的，而将许可证问题移交给了美国电话电报公司的版权维护部门。
　　GNU代码
　　如果你正在使用GNU/Linux，该系统的发行版中已经包括了源代码，它们可能被打包成不同格式的文件（Red Hat的RPM文件、Debian的DEB文件、Slackware的.tar.gz文件，等等）。本书中的许多例子都取自5.0版本的GNU Coreutils。要获得这些代码，只要找到相应的GNU/Linux发行版光盘，然后用合适的工具软件进行解压提取即可。你也可以按照下面几段给出的指令来获得代码。
　　如果你想自己从GNU的ftp网站获取那些文件，可以链接这个地址：ftp://ftp.gnu.org/gnu/coreutils/coreutils-5.0.tar.gz。
　　你可以通过wget工具程序来取得文件：
　　另外，你也可以用经典的ftp命令来获取文件：
　　获得文件后，按如下方式进行解压提取：
　　采用GNU tar的系统可能要使用下面的命令解压：
　　为了遵守GNU通用公共许可证（GNU General Public License），这里列出本书引用的所有GNU程序的版权信息。所有程序都是“自由软件；在自由软件联盟（Free Software Foundations）发布的GNU通用公共许可证第二版或（你愿意的话）任何更新版本的保护下，你可以重新发布和/或修改这些程序。”GNU通用公共许可证的正文参见附录C，“GNU通用公共许可证”。
　　获取本书中采用的示例程序
　　本书中采用的实例程序可以在http://authors.phptr.com/robbins上找到。
　　关于封面
　　“这是杰迪武士的武器……，是来自更文明世纪的精良武器。
　　在暗黑时代来临前，在帝国创立前的一千多代人的时间里，
　　杰迪武士一直是古代共和社会的和平和正义的守护神。”
　　－Obi-Wan Kenobi－
　　你也许觉得奇怪，我们为什么选择一把光剑作为封面，并在整本书中都用到它？它代表什么意思？它和Linux编程有什么关系吗？
　　在杰迪武士手中，这把光剑不仅强有力，而且非常高雅。它诠释着力量、知识、对权力的控制以及Jedi承受过的残酷的训练。
　　这把精良的佩剑也反映了早期Unix API程序设计的高雅。同样，对API、软件工具、GNU设计准则的准确地和充满智慧地使用，促成了今天的功能强大、灵活、高效的GNU/Linux系统。这个系统也充分证明了编写这些系统组件的程序员的知识和技能。
　　当然，光剑也非常酷！
　　致谢
　　编写一本书要花费大量的精力，如果没有许多对本书做出贡献的人，本书是不可能完成的。Brian博士、W.Kernighan、Doug McIlroy博士、Peter Memishian和Peter van der Linden审阅了本书的初稿。David J.Agans、Fred Fish、Don Marti、Jim Meyering、Peter Norvig和Julian Seward对全书中众多引用的主题提供了转载许可。感谢Geoff Collyer、Ulrich Drepper、Yosef Gold、C.A.R（Tony） Hoare博士、Manny Lehman博士、Jim Meyering、Dennis M.Ritchie博士、Julian Seward、Henry Spencer和Wladyslaw M.Turski博士，他们为本书提供了许多有用的信息。也要感谢GNITS组的其他成员：Karl Berry、Akim DeMaille、Ulrich Drepper、Greg McGary、Jim Meyering、Fran?ois Pinard和Tom Tromey，他们提供了许多实用的编程实践方面的反馈。还有Karl Berry、Alper Ersoy和Nelson H.F.Beebe博士提供了很多关于Texinfo和DocBook/XML系列工具的有用的技术信息。
　　优秀的技术审阅者不仅确保了作者所述内容的正确性，而且还确保了作者仔细考虑其表达方式。整本书的技术审阅者有：Nelson H.F.Beebe博士、Geoff Collyer、Russ Cox、Ulrich Drepper、Randy Lechlitner、Brian W.Kernighan博士、Peter Memishian、Jim Meyering、Chet Ramey和Louis Taber。此外，Michael Brennan博士为第15章做了有益的评注。本书的行文和许多实例程序都获益于他们的审校。所以，我非常感激他们。如同大部分作者所说的一样：“书中任何遗留错误的责任都在我。”
　　我还要特别感谢培生教育出版集团（Pearson Education）的Mark Taub，是他提出了该书的计划，并对整个系列表示了热情的关注，而且，在编写本书的不同阶段他给出了不少帮助和建议。Anthony Gemmellaro为实现我对封面的想法做了出众的工作，Gail Cocker对书的内部设计非常美观。Faye Gemmellaro的工作使得整个出版过程一点也不杂乱，而是十分愉快。Dmitry Kirsanov和Alina Kirsanova进行了图表和页面的版面设计，还完成了本书的索引。和他们一起合作是非常愉快的事。
　　最后，我要把深深的感激和爱献给我的妻子，Miriam，在这本书的编写过程中，是她给了我最大的支持和鼓励。
　　Arnold Robbins
　　Nof Ayalon
　　于以色列