Андрей Робачевский - Операционная система UNIX

В начале главы дана общая характеристика программного интерфейса UNIX и связанной с ним среды разработки; затронуты такие важные темы, как обработка ошибок, различия между системными вызовами и функциями стандартных библиотек, форматы исполняемых файлов и размещение образа программы в памяти; также описано, как происходит запуск и завершение программы с точки зрения программиста.

Следующие два раздела посвящены подробному обсуждению программного интерфейса двух важнейших подсистем операционной системы UNIX: файловой подсистемы и подсистемы управления процессами и памятью. В них рассматриваются важнейшие системные вызовы работы с файлами, функции стандартной библиотеки ввода/вывода, системные вызовы создания процесса, запуска новой программы и управления процессами.

В заключение приводятся два типичных приложения: демон и командный интерпретатор, на примере которых проиллюстрированы темы, затронутые в данной главе.

Все версии UNIX предоставляют строго определенный ограниченный набор входов в ядро операционной системы, через которые прикладные задачи имеют возможность воспользоваться базовыми услугами, предоставляемыми UNIX. Эти точки входа получили название системных вызовов (system calls). Системный вызов, таким образом, определяет функцию, выполняемую ядром операционной системы от имени процесса, выполнившего вызов, и является интерфейсом самого низкого уровня взаимодействия прикладных процессов с ядром. Седьмая редакция UNIX включала около 50 системных вызовов, современные версии, например, SVR4, предлагают более 120.

Системные вызовы обычно документированы в разделе 2 электронного справочника. В среде программирования UNIX они определяются как функции С, независимо от фактической реализации вызова функции ядра операционной системы. В UNIX используется подход, при котором каждый системный вызов имеет соответствующую функцию (или функции) с тем же именем, хранящуюся в стандартной библиотеке языка С (в дальнейшем эти функции будем для простоты называть системными вызовами). Функции библиотеки выполняют необходимое преобразование аргументов и вызывают требуемую процедуру ядра, используя различные приемы. Заметим, что в этом случае библиотечный код выполняет только роль оболочки, в то время как фактические инструкции расположены в ядре операционной системы.

Помимо системных вызовов программисту предлагается большой набор функций общего назначения. Эти функции не являются точками входа в ядро операционной системы, хотя в процессе выполнения многие из них выполняют системные вызовы. Например, функция printf(3S) использует системный вызов write(2) для записи данных в файл, в то время как функции strcpy(3C) (копирование строки) или atoi(3C) (преобразование символа в его числовое значение) вообще не прибегают к услугам операционной системы. Функции, о которых идет речь, хранятся в стандартных библиотеках С и наряду с системными вызовами составляют основу среды программирования в UNIX. Подробное описание этих функций приведено в разделе 3 электронного справочника.

Таким образом, часть библиотечных функций является "надстройкой" над системными вызовами, обеспечивающей более удобный способ получения системных услуг. В качестве примера рассмотрим процесс получения текущей даты и времени. Соответствующий системный вызов time(2) возвращает время в секундах, прошедшее с момента Epoch: 1 января 1970 года. Дополнительная интерпретация этого значения, такая как преобразование в вид, удобный для восприятия (дата и время) с учетом временной зоны, осуществляется библиотечными функциями ( ctime(3C) , localtime(3C) и т.д.). К этим функциям можно отнести функции библиотеки ввода/вывода, функции распределения памяти, часть функций управления процессами и т.д.

На рис. 2.1 показана схема взаимодействия приложения с ядром операционной системы при использовании системных вызовов и библиотечных функций.

Рис. 2.1. Системные вызовы и библиотечные функции

В предыдущем разделе мы обсудили разницу между системными вызовами и библиотечными функциями. Они также различаются по способу передачи процессу информации об ошибке, произошедшей во время выполнения системного вызова или функции библиотеки.

Обычно в случае возникновения ошибки системные вызовы возвращают и устанавливают значение переменной errno, указывающее причину возникновения ошибки. Так, например, существует более десятка причин завершения вызова open(2) с ошибкой, и все они могут быть определены с помощью переменной errno. Файл заголовков содержит коды ошибок, значения которых может принимать переменная errno, с краткими комментариями.

Библиотечные функции, как правило, не устанавливают значение переменной errno, а код возврата различен для разных функций. Для уточнения возвращаемого значения библиотечной функции необходимо обратиться к электронному справочнику man(1) .

Поскольку базовым способом получения услуг ядра являются системные вызовы, рассмотрим более подробно обработку ошибок в этом случае.

Переменная errno определена следующим образом:

external int errno;

Следует обратить внимание, что значение errno не обнуляется следующим нормально завершившимся системным вызовом. Таким образом, значение errno имеет смысл только после системного вызова, который завершился с ошибкой.

Стандарт ANSI С определяет две функции, помогающие сообщить причину ошибочной ситуации: strerror(3C) и perror(3C) .

Функция strerror(3C) имеет вид:

#include

char *strerror(int errnum);

Функция принимает в качестве аргумента errnum номер ошибки и возвращает указатель на строку, содержащую сообщение о причине ошибочной ситуации.

Функция perror(3C) объявлена следующим образом:

#include

#include

void perror(const char *s);

Функция выводит в стандартный поток сообщений об ошибках информацию об ошибочной ситуации, основываясь на значении переменной errno. Строка s, передаваемая функции, предваряет это сообщение и может служить дополнительной информацией, например содержа название функции или программы, в которой произошла ошибка.

Следующий пример иллюстрирует использование этих двух функций:

#include

#include

main(int argc, char *argv[]) {

fprintf(stderr, "ENOMEM: %s\n", strerror(ENOMEM));

errno = ENOEXEC;

perror(argv[0]);

}

Запустив программу, мы получим следующий результат на экране: