起初學習UNIX環境下的編程覺得非常難，畢竟這是一個陌生的東西，但是工作後，照面打得多了，自然就熟悉了些，在此總結一些經驗。

其實要是寫了幾年代碼的人，回頭總結一下用代碼一般都做什麼事，會得到四個字母：CRUD，也就是增刪查改。

  • 後端程序員：對數據庫的增刪查改
  • 系統程序員：對OS數據結構的增刪查改
  • 嵌入式程序員：對硬件數據的增刪查改
  • 前端程序員：對JSON和用戶輸入的增刪查改

那既然大家歸根結底，都是增刪查改，學習UNIX是否可以從另外一個角度來看待呢？

開始之前

遠古時期，所有程序員都是直接操縱硬件的，但是這有很大的問題，你也想用100M內存，我也想用100M，但是一共只有100M，怎麼辦？ 你也想播放音樂，我也想，又怎麼辦？你也想寫磁盤，我也想寫磁盤，怎麼辦？

除了上述衝突，更麻煩的是，所有人都要知道所有硬件怎麼操作，才能寫出一個程序，這太難了。於是有了操作系統，它幫我們屏蔽了所有的硬件設備的 區別，提供了統一的接口，並且抽象了一些東西，比如文件系統，通過文件系統，我們不再需要操心這個文件是寫到磁盤具體的哪個位置， 而只需要告訴操作系統：我要寫文件，寫什麼，寫多長即可。

這一切都是通過操作系統提供的系統調用(system call)來完成的。

我們還是要了解一下UNIX操作系統的結構：

可以看到，最內部的，就是內核，它幫我們處理各種各樣的硬件設備，然後抽象成一個簡單的概念。 比如我們不用擔心是HDD還是SSD，我們只管用文件系統，我們只需要調用操作文件的系統調用，操作系統會幫我們找到對應的磁盤位置並且把數據寫進去， 即使失敗了，也會返回一個錯誤告訴我們爲什麼。

稍往外層，就是系統調用，系統調用的外層有shell和library routines，另外applications也可以和它直接接觸，這是什麼意思呢？

shell可以簡單理解爲命令行，但是用熟了之後，應當知道，bash，zsh這類纔是shell，他封裝了很多系統調用，然後以命令或者圖形界面的方式提供 給用戶，比如Windows上，很多按鈕點一下，背後其實就調用了一些系統調用。 而library routines，比如glibc，幫我們封裝了系統調用，加了一些代碼，讓我們調用更加輕鬆，因爲我們的代碼不可能是通過執行各種命令行 來完成，那樣抗不住併發，所以我們得通過調用函數的方式， 我們可以直接調用系統調用，這就是圖中applications直接和system call接觸的那部分，也可以調用library routines，然後後者幫我們調用system call。

模塊分類

相信很多人畢業設計做的就是XXX管理系統，內核其實也是一個XXX管理系統，只不過它是多個管理系統的集合：

  • 文件管理系統
  • 用戶管理系統
  • 權限管理系統
  • 進程管理系統
  • 內存管理系統
  • 硬件設備管理系統

其實內核自己就可以做這些事情，但是因爲每個人每個公司的需求都不一樣，所以內核暴露了系統調用來讓程序員可以藉助它的能力， 做定製化操作。

內核爲了安全，會通過CPU的能力，將進程分爲兩個類別：

  • 在內核裏跑的
  • 在用戶空間跑的

顯然前者擁有更大的權利，幹啥都可以，後者的權力自然是受限的。

文件管理系統

我們知道，XXX管理系統的主要內容就是CRUD。我們來看看，我們自然是要：

  • 創建文件（增）
  • 刪除文件（刪）
  • 查找文件內容（查）
  • 更新文件內容（寫入）

由於除了文件，還有文件夾，所以它也有CRUD。由於UNIX中把一切都抽象成文件，因此，對他們也有CRUD，不過，幸好由於UNIX把一切都抽象成文件，因此 對一切文件，也就這麼幾個系統調用（其實是C庫封裝過後的庫函數，但是其底層是系統調用，後同）：

creat
remove
close
read
write
lseek

當然，UNIX發展這麼久了，其歷史分支多的不得了，自然就會有分裂和不統一的情況，因此除了上述系統調用，你還會看到一些標新立異、特殊使用的，比如針對網絡的 recv 和 send ，沒有關係，理解一下，畢竟幾十年 的系統了。

說起文件，特別重要的一個概念就是文件描述符(file descriptor，簡稱fd)。這是啥呢？你看我們平時操作數據庫的每一行，是不是還有個Primary ID？對的，這玩意兒就跟它類似，用於定位一個文件，這樣大家都知道我們說的是哪個文件。

爲了高性能，我們的文件管理系統自然就要引入緩存，引入緩存，那就要引入把緩存寫到磁盤的操作，因此就有了：

sync
fsync
fdatasync

另外文件還有一些屬性什麼的，因此就有了：

stat
fstat
lstat

權限管理系統和用戶管理系統

UNIX是一個多用戶的系統，既然是多用戶，那就要做好權限控制，我不能隨意看別人的東西，別人也不能隨意看我的，要不然大家豈不是都在 裸奔了嗎？

首先要做的就是在文件系統裏引入權限控制，也就同時引入了用戶管理系統。

UNIX中，每個用戶都有自己的id，每個用戶都可以加入多個組，每個組也可以有多個用戶，因此UNIX把權限分爲三類：

  • 對本人的控制
  • 對本組的控制
  • 對其他人(也就是其他組)的控制

然後控制，又細分爲三個：

  • 可讀
  • 可寫
  • 可執行（對於文件來說是可執行，對於文件夾來說，就是是否可以列出其下文件）

由於UNIX設計的時候，內存都是很寶貴的（今天沒那麼貴了但是也還挺寶貴的），所以用位來保存權限，可讀、可寫、可執行分別是二進制的 00000100，00000010和00000001，因此對應10進制分別是4，2，1。

注意，4+2+1 = 7。

所以如果你給一個文件，權限爲777，那麼就是對本人可讀可寫可執行，對組內成員可讀可寫可執行，對其他所有人可讀可寫可執行。

如果是467，那就是對本人可讀，對組內成員可讀可寫，對其他人可讀可寫可執行。

以此類推。

當然，我們得有系統調用來對權限進行CRUD：

access
chmod

剛纔說了，有用戶和組這兩個概念。UNIX下，用戶信息存儲在 /etc/passwd 上，組的信息存儲在 /etc/group 上。

用戶有密碼，以前密碼也是存在 /etc/passwd 上，不過不太安全，後來就把密碼以更嚴格的文件權限存儲在 /etc/shadow 裏。 

$ ll -h /etc/passwd /etc/shadow /etc/group
-rw-r--r-- 1 root root    910 Jun 12 15:29 /etc/group
-rw-r--r-- 1 root root   2.2K Jun 12 15:29 /etc/passwd
-rw-r----- 1 root shadow 1.3K Jun 12 15:29 /etc/shadow

進程管理系統和內存管理系統

我們的代碼，最終編譯爲程序，它就是一堆0和1，躺在磁盤裏。但是當它被操作系統加載，運行之後，在內存裏，就叫進程。當然，進程也得有一個唯一ID，我們管他叫 pid(process id) 。

進程和內存分不開，進程要申請內存、銷燬內存等，因此就有了這些CRUD：

malloc
free

至於改和查嘛，這是在代碼邏輯裏就做好了的，無需操心。

而對進程本身的一些增刪查改，則是對它的運行環境什麼的操作，比如：

  • getenv 獲取環境變量
  • getpid 獲取當前進程id
  • getppid 獲取父進程id
  • getrlimit 和 setrlimit 獲取和設置進程的一些資源限制
  • fork 創建新的進程
  • exec 替換當前進程所要執行的代碼
  • wait 等待子進程

進程管理本身就還包含很多東西，比如進程所屬的用戶和組，進程的資源限制，進程之間的通信，進程的優先級等等，每一個子系統都有它的CRUD。

後來又引入了線程這個概念，線程是CPU調度的最小單位，同一個進程內的多個線程， 共享所在進程裏的一些資源，對於這些東西，又有很多CRUD函數。同時還引入了併發和並行這兩個概念，因此也就有一些鎖、競爭等概念，所以又有一批 對應的CRUD函數。

硬件管理系統

程序要做的很重要的一件事情，其實是和其他進程通信，和其他硬件設備打交道。

同步I/O無法應對併發，因此就有了I/O多路複用，也就有了：

select
epoll
kqueue

還有POSIX規定的aio系列函數，這又是一堆CRUD。

總結

一個操作系統，要做的事情很多，直到今天，Linux內核也還在非常活躍的開發維護中，操作系統要做的事情遠遠不止上面所列的這麼 幾個管理系統，但是我們可以把操作系統要做的事情，分門別類來看，就會發現，原來它也是CRUD。當然，這個CRUD的技術含量，可就 比較高了。

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