Programowanie w środowisku systemu UNIX

429 Pages·2002·15.402 MB·Polish

by  W. Richard Stevens

Wydawnictwa
Naukowo-
Techniczne
\
W. Richard Stevens
Programowanie
w środowisku
@
systemu UNIX
Wydawnictwa
CLASILA
Naukowo-
Techniczne
Warszawa
W. Richard Stevens
W skład serii „Klasyka Informatyki"
Programowanie
wchodzą dzieła najwybitniejszych
uczonych świata w dziedzinie
informatyki - książki o nieprzemijającej
w środowisku
wartości, stanowiące bazę solidnego,
klasycznego wykształcenia
każdego profesjonalnego informatyka.
@
systemu UNIX
Wydawnictwa Naukowo-Techniczne
przygotowały tę serię ze szczególną
pieczołowitością, powierzając
tłumaczenie poszczególnych tomów
znakomitym specjalistom. Wyboru
książek dokonano w ścisłej współpracy
z polskim środowiskiem akademickim, Z angielskiego przełożyła i
dedykując serię głównie studentom Maja Górecka-Wolniewicz ;
informatyki i młodym pracownikom
naukowym.
Przez następnych osiem lat (1982-1990) był
0 Autorze:
wiceprezesem Health Systems International
i tworzył oprogramowanie do systemu ochrony
W. Richard Stevens był uznanym w świecie
zdrowia, wprowadzonego w stanie Connecticut.
autorytetem w dziedzinie oprogramowania
sieciowego i autorem bestsellerów informatycznych.
Od 1990 roku mieszkał w Tucson. Nie miał stałego
Niemal każda napisana przez niego książka
zatrudnienia. Cały czas poświęcał na pisanie
natychmiast zdobywała uznanie czytelników.
książek i prowadzenie wykładów na ich podstawie.
A to z kilku powodów. Po pierwsze, był znakomitym
Zmarł 1 września 1999 roku.
fachowcem, doskonale znającym się na swojej
dziedzinie. Po drugie, miał wspaniałe wyczucie
potrzeb czytelników; pisał o tym, co było ważne
1 co rzeczywiście musieli wiedzieć. Po trzecie, pisał
jasno i zwięźle; przekazywane przez niego informacje
były rzetelne i na dobrym poziomie szczegółowości.
Jego książki zawierają mnóstwo przykładowych
programów, które mogą stanowić bibliotekę
gotowych rozwiązań.
Urodził się w 1951 roku w Luanshyi, w Zambii
(dawnej Rodezji Północnej). W 1968 roku ukończył
Fishburne Military School, a w 1973 roku studia
w University of Michigan ze stopniem bakałarza
techniki lotniczej i astronautycznej. W latach
1973-1975 był programistą (w językach
asemblerowych) w firmie Singer's M&M w Santa
Ana, w Kalifornii. W latach 1975-1982 pracował
na pełnym etacie w Kitt Peak Observatory
w Tucson, w Arizonie (jednocześnie robił
magisterium i doktorat z inżynierii systemów
Systemowi Michigan Terminal System,
w University of Arizona). Zajmował się wtedy
czyli MTS,
pisaniem programów do pozyskiwania danych i komputerowi 360/67
w czasie rzeczywistym i do przetwarzania obrazów.
ine o oryginale
r. RlCHARD STEVENS
dvanced Programming in the UNIX® Environment
ipyright © 1993 by Addison Wesley Longman, Inc.
th Printing July 1999 Spis treści
iblished by arrangement with Addison Wesley Longman, Inc.
Rights Reserved
owadzenie serii Elżbieta Beuermann
Przedmowa 1'
;daktor Zuzanna Grzejszczak
\
cładkę i strony tytułowe projektował Paweł G. Rubaszewski
:daktor techniczny Anna Szeląg Pojęcia podstawowe 2'.
rekta Zespół
zygotowanie do druku Marianna Zadrożna 1.1 Wprowadzenie 2.
1.2 Logowanie w systemie 2.
1.3 Pliki i katalogi 2
JIX jest zarejestrowanym znakiem towarowym UNIX System Labs, Inc.
1.4 Wejście i wyjście 2
1.5 Programy i procesy 3
1.6 Właściwości ANSI C 3
Copyright for the Polish edition by 1.7 Obsługa błędów 3
ydawnictwa Naukowo-Techniczne 1.8 Identyfikacja użytkownika 4
arszawa 2002
1.9 Sygnały 4
1 Rights Reserved 1.1.0 Czas w systemie Unix 4.
inted in Poland 1.11 Funkcje systemowe i biblioteczne Ą
1.12 Podsumowanie 4]
wór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany
pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i
nnych, w tym również nie może być umieszczany ani rozpowszechniany w postaci
frowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody , . 1
Standaryzacja systemu Unix, różne implementacje ^
•siadacza praw autorskich.
2.1 Wprowadzenie
ires poczty elektronicznej: [email protected] 2.2 Standaryzacja systemu Unix
rona WWW: www.wnt.com.pl 2.2.1 ANSIC 4
2.2.2 IEEE POSIX 3
2.2.3 X/Open XPG3 5
5BN 83-204-2669-3 2.2.4 FIPS 51
Spis treści Spis treści !
2.3 Implementacje systemu Unix 53 4.4 Bity ustanowienia identyfikatora użytkownika
2.3.1 System V Wydanie 4 54 oraz ustanowienia identyfikatora grupy 11 (
2.3.2 System 4.3+BSD 54 4.5 Prawa dostępu do pliku li;
2.4 Standardy a ich implementacje 55 4.6 Prawa własności nowych plików i katalogów 11;
2.5 Ograniczenia 56 4.7 Funkcja access 1 ]<
2.5.1 Ograniczenia ANSI C 57 4.8 Funkcja umask lii
2.5.2 Ograniczenia POSIX 58 4.9 Funkcje chmod i f chmod 11!
2.5.3 Ograniczenia XPG3 60 4.10 Bit lepki 12:
275.4 Funkcje sysconf, pathconf i fpathconf 6K 4.11 Funkcje chown, fchown oraz lchown \2'.
2.5.5 Wymagania FIPS 151-1 67 4.12 Rozmiar pliku 12:
2.5.6 Podsumowanie ograniczeń 67 4.13 Skracanie plików 12'
2.5.7 Nieokreślone ograniczenia fazy wykonania 70 4.14 Systemy plików 12'
2.6 Makra sprawdzające parametry 73 4.15 Funkcje link, unlink, remove i rename 13
2.7 Elementarne systemowe typy danych 75 4.16 Dowiązania symboliczne 13:
2.8 Konflikty między standardami 75 4.17 Funkcje symlink i readlink 13)
2.9 Podsumowanie 76 4.18 Czasy związane z plikiem 13)
4.19 Funkcja utime 13<
J 4.20 Funkcje mkdir i rmdir 14^
4.21 Czytanie katalogów 14^
Operacje wejścia-wyjścia dla plików 77 4.22 Funkcje chdir, f chdir oraz getcwd 14*
4.23 Specjalne pliki urządzeń 15:
3.1 Wprowadzenie 77
4.24 Funkcje sync oraz f sync 15*
3.2 Deskryptory plików 77
4.25 Zestawienie bitów praw dostępu do pliku 15:
3.3 Funkcja open 78
4.26 Podsumowanie 15(
3.4 Funkcja creat 81
3.5 Funkcja close 81
5
3.6 Funkcja lseek 82
3.7 Funkcja read 85 Standardowa biblioteka wejścia-wyjścia 15S
3.8 Funkcja write 86
5.1 Wprowadzenie 15?
3.9 Wydajność obsługi wejścia-wyjścia 87
5.2 Obiekty strumieni i typ danych FILE 15?
3.10 Współdzielenie pliku 89
5.3 Standardowe wejście, standardowe wyjście
3.11 Operacje atomowe 92
i standardowy strumień komunikatów awaryjnych 16'.
3.12 Funkcje dup i dup2 94
5.4 Buforowanie 16f
3.13 Funkcja fcntl 96
5.5 Otwarcie strumienia 16^
3.14 Funkcja ioctl 101
5.6 Czytanie i zapisywanie danych ze strumienia -6',
3.15 Katalog /dev/fd 102
5.7 Wejście-wyjście wiersz po wierszu 51\
3.16 Podsumowanie 104
5.8 Wydajność standardowego wejścia-wyjścia 17^
5.9 Binarne wejście-wyjście 17--'
_4 5.10 Pozycjonowanie strumienia 17j
5.11 Wejście-wyjście formatowane 17'
Pliki i katalogi 106
5.12 Szczegóły implementacyjne 1^
4.1 Wprowadzenie 106 5.13 Pliki tymczasowe 18 i
4.2 Funkcje stat, f stat oraz lstat 106 5.14 Techniki zastępujące standardowe wejście-wyjście 18*
4.3 Typy plików 107 5.15 Podsumowanie 183
Spis treści Spis treści 11
8.11 Pliki interpretowane 266
8.12 Funkcja system 271
Systemowe pliki danych 187
8.13 Rejestrowanie procesów 276
6.1 Wprowadzenie 187 8.14 Identyfikacja użytkownika 282
6.2 Plik haseł 187 8.15 Czasy procesu 283
6.3 Maskowanie haseł 191 8.16 Podsumowanie 286
6.4 Plik grup 191
6.5 Identyfikatory dodatkowych grup 193
9
6.6 Inne pliki danych 194
Relacje między procesami 288
6.7 Rejestry logowania 196
6.8 Dane identyfikujące system 196
9.1 Wprowadzenie 288
6.9 Procedury obsługi czasu i daty 198
9.2 Logowania terminalowe 288
6.10 Podsumowanie 202
9.3 Logowania sieciowe 293
9.4 Grupy procesów 295
_7 9.5 Sesje 297
9.6 Terminal sterujący 298
Środowisko procesu w systemie Unix 203
9.7 Funkcje tcgetpgrp oraz tcsetpgrp 300
7.1 Wprowadzenie 203 9.8 Sterowanie zadaniami 300
7.2 Funkcja main 203 9.9 Wykonywanie programów z powłoki 305
7.3 Zakończenie procesu 204 9.10 Osierocone grupy procesów 310
7.4 Argumenty wiersza poleceń 208 9.11 Implementacja w systemie 4.3+BSD 313
7.5 Lista zmiennych środowiskowych 208 9.12 Podsumowanie 315
7.6 Program w języku C w pamięci operacyjnej 210
7.7 Biblioteki wspólne 211
10
7.8 Alokacja pamięci 212
7.9 Zmienne środowiskowe 215 Sygnały 317-
7.10 Funkcje setjmp oraz longjmp 219
10.1 Wprowadzenie 317
7.11 Funkcje getrlimit oraz setrlimit 225
10.2 Koncepcje sygnałów 318
7.12 Podsumowanie 229
10.3 Funkcja signal 327
10.4 Sygnały niezawodne 331
JS
10.5 Przerwane funkcje systemowe 333
10.6 Funkcje współużywalne 335 j
Sterowanie procesem 231
10.7 Różne semantyki SIGCLD 338 •.
8.1 Wprowadzenie 231 10.8 Terminologia i semantyka sygnałów niezawodnych 341
8.2 Identyfikatory procesu 231 10.9 Funkcje kill oraz raise 342
8.3 Funkcja fork 232 10.10 Funkcje alarm orazpause 344 i
8.4 Funkcja vf ork 238 10.11 Zbiory sygnałów 351
8.5 Funkcja exit 241 10.12 Funkcja sigprocmask 353 ,
8.6 Funkcje wait oraz waitpid 243 10.13 Funkcja sigpending 354 ]
8.7 Funkcje wait3 oraz wait4 249 10.14 Funkcja sigaction 35 7 _'
8.8 Sytuacje wyścigu 250 10.15 Funkcje sigset jmp oraz siglongjmp 360,
8.9 Funkcje exec 254 10.16 Funkcja sigsuspend 364
8.10 Zmiana identyfikatorów użytkownika i identyfikatorów grup ... 261 10.17 Funkcja abort 371 ,
Spis treści Spis treści 13
10.18 Funkcja system 372 13
10.19 Funkcja sleep 379
Procesy-demony 492
10.20 Sygnały sterowania zadaniami 382
10.21 Inne właściwości 384 13.1 Wprowadzenie 492
10.22 Podsumowanie 386 13.2 Charakterystyki demona 492
13.3 Zasady programowania demonów 494
13.4 Rejestrowanie błędów 496
\l
13.4.1 Procedura obsługi strumieni log w systemie SVR4 496
Terminalowe wejście-wyjście 388 13.4.2 Technika syslog w systemie 4.3+BSD 498
13.5 Model klient-serwer 502
11.1 Wprowadzenie 388
13.6 Podsumowanie 503
11.2 Informacje podstawowe 388
11.3 Specjalne znaki na wejściu 395
14
11.4 Pobieranie i ustalanie atrybutów terminalu 401
11.5 Sygnalizatory opcji terminalu 402 Komunikacja międzyprocesowa 504
11.6 Polecenie stty 410
14.1 Wprowadzenie 504
11.7 Funkcje związane z szybkością linii 410
14.2 Łącza komunikacyjne 505
11.8 Funkcje do kontroli linii 411
14.3 Funkcje popen oraz pclose 512
11.9 Identyfikacja terminalu 412
14.4 Koprocesy 519
11.10 Tryb kanoniczny 416
14.5 Kolejki FIFO 524
11.11 Tryb niekanoniczny 420
14.6 Metody komunikacji międzyprocesowej Systemu V 528
11.12 Rozmiar okna terminalu 427
14.6.1 Identyfikatory i klucze 528
11.13 termcap, terminf o oraz curses 428
14.6.2 Struktura zawierająca prawa dostępu 530
11.14 Podsumowanie 429
14.6.3 Ograniczenia konfiguracyjne 531
14.6.4 Zalety i wady 531
_12 14.7 Kolejki komunikatów 533
14.8 Semafory 538
Zaawansowane operacje wejścia-wyjścia 431
14.9 Pamięć wspólna 545
12.1 Wprowadzenie 431 14.10 Zagadnienia dotyczące modelu klient-serwer 553
12.2 Nieblokujące wejście-wyjście 431 14.11 Podsumowanie 556
12.3 Ryglowanie rekordów 435
15 __
12.4 Strumienie 453
12.5 Zwielokrotnianie wejścia-wyjścia 467 Zaawansowane metody komunikacji międzyprocesowej 559
12.5.1 Funkcja select 470
15.1 Wprowadzenie 559-
12.5.2 Funkcja poll 474
15.2 Łącza strumieniowe 559
12.6 Asynchroniczne wejście-wyjście 477
15.3 Przekazywanie deskryptorów pliku 563
12.6.1 System V Wydanie 4 477
15.3.1 System V Wydanie 4 566
12.6.2 System 4.3+BSD 478
15.3.2 System 4.3BSD 568
12.7 Funkcje readv oraz writev 479
15.3.3 System 4.3+BSD 571
12.8 Funkcje readn oraz writen 482
15.4 Serwer otwierający pliki, wersja 1 574
12.9 Wejście-wyjście oparte na odwzorowaniu w pamięci 484
15.5 Funkcje obsługujące połączenia klient-serwer 581
12.10 Podsumowanie 490
15.5.1 System V Wydanie 4 583
15.5.2 System 4.3+BSD 587
Spis treści Spis treści J_£
19.3 Otwieranie urządzeń pseudoterminalowych 736
15.6 Serwer otwierający pliki, wersja 2 591
19.3.1 System V Wydanie 4 736
15.7 Podsumowanie 600
19.3.2 System 4.3+BSD 739
19.4 Funkcja pty_f ork 741
16
19.5 Program pty 743
Biblioteka funkcji obsługi bazy danych 601 19.6 Zastosowanie programu pty 748
19.7 Dodatkowe możliwości 756
16.1 Wprowadzenie 601
19.8 Podsumowanie 757
16.2 Historia 601
16.3 Biblioteka 602
16.4 Przegląd implementacji 604 Dodatek A
16.5 Obsługa scentralizowana lub zdecentralizowana 608
Prototypy funkcji 759
16.6 Współbieżność 610
16.7 Kod źródłowy 612
16.8 Wydajność 635 Dodatek B
16.9 Podsumowanie 640
Różne kody źródłowe 780
_17 B. 1 Nasze pliki nagłówkowe 780
B.2 Procedury obsługi standardowych błędów 783
Komunikacja z drukarką postscriptową 642
17.1 Wprowadzenie 642 Dodatek C
17.2 Komunikacja w trybie PostScript 642
17.3 Buforowanie wydruków 646 Rozwiązania wybranych ćwiczeń 788
17.4 Kod źródłowy 648
17.5 Podsumowanie 671 Bibliografia 819
Skorowidz 825
^8
Program obsługujący modem 672
18.1 Wprowadzenie 672
18.2 Historia 673
18.3 Projekt programu 674
18.4 Pliki danych 675
18.5 Projekt serwera 679
18.6 Kod źródłowy serwera 680
18.7 Projekt klienta 711
18.8 Kod źródłowy klienta 714
18.9 Podsumowanie 727
\9
Pseudoterminale 729
19.1 Wprowadzenie 729
19.2 Informacje podstawowe 729
Przedmowa
Wprowadzenie
W niniejszej książce opisuję interfejs programowania w systemie Unix -
funkcje systemowe oraz liczne funkcje zawarte w bibliotece standardowej ję-
zyka C. Książka jest przeznaczona dla osób piszących programy, które mają
być uruchamiane w systemach uniksowych.
Jak większość systemów operacyjnych Unix dostarcza wiele usług, z któ-
rych mogą korzystać programy: otwarcie pliku, czytanie pliku, uruchomienie
nowego programu, zaalokowanie obszaru pamięci, pobranie bieżącego czasu
itp. Są one wspólnie nazywane interfejsem funkcji systemowych. Oprócz tego
biblioteka standardowa języka C oferuje różne funkcje, które są używane
w programach pisanych w języku C (formatowanie drukowanej wartości
zmiennej, porównanie dwóch napisów itp.).
Interfejs funkcji systemowych oraz procedury biblioteczne są na ogół opi-
sywane w częściach 2 i 3 uniksowego podręcznika systemowego (man pages).
W tej książce nie będą powielane te fragmenty dokumentacji. Nie ma zresztą
tam ani przykładów, ani żadnych uzasadnień, które są tu przedstawione.
Standardy systemu Unix
Istotny wpływ na rozwój kolejnych wersji systemu Unix w latach osiemdzie-
siątych miały różne międzynarodowe standardy, których tworzenie rozpo-
częto właśnie wtedy. Do najważniejszych należą: standard ANSI dla języka
C, rodzina norm IEEE POSIX (ciągle w trakcie rozwoju) oraz zalecenia doty-
czące przenośności - X/Open.
Omówiłem tu te wszystkie standardy^_ale nie tylko w sposób formalny.
Opisałem je również w odniesj#rri§ć^4fcr$?iłi§?ckJich implementacji - wy-
Przedmowa Przedmowa 19
dania 4 Systemu V oraz mającego się ukazać systemu 4.4BSD1. Dzięki temu (Unix Programmer's Manuał), w którym zamierza się pracować, ponieważ
udało mi się przedstawić to, czego zazwyczaj brakuje w samym standardzie często odwołuję się do tego podręcznika, opisując niektóre z bardziej specy-
i w wielu książkach o nim. ficznych i zależnych od implementacji właściwości.
Niemal każdą funkcję, zwykłą lub systemową, przedstawiam wraz z ma-
łym, ale kompletnym przykładem programu, dzięki czemu Czytelnik może
lizacja książki zobaczyć, jak wyglądają argumenty wywołania i przekazywane wartości. Po-
nieważ jednak niektóre z tych małych programów są wymyślone, podaję też
Książkę podzieliłem na sześć części. kilka większych (rozdziały 16, 17, 18 i 19), obrazujących rzeczywiste techniki
programowania, stosowane na co dzień.
1. Omówienie podstawowych koncepcji programowania uniksowego, Wszystkie przykłady zostały zamieszczone w tekście bezpośrednio z ich pli-
wprowadzenie terminologii (rozdz. 1) oraz przedstawienie różnych ków źródłowych. Można je znaleźć w ogólnodostępnym archiwum FTP na stacji
działań standaryzacyjnych i różnych implementacji systemu Unix ftp.uu.net, w katalogu published/books/stevens . advprog. tar . Z.
(rozdz. 2). Pobrawszy kody źródłowe programów, można je zmieniać i eksperymento-
2. Wejście-wyjście - niebuforowane wejście-wyjście (rozdz. 3), własno- wać z nimi w konkretnych systemach operacyjnych.
ści plików i katalogów (rozdz. 4), standardowa biblioteka wejścia-
-wyjścia (rozdz. 5) oraz standardowe pliki systemowe (rozdz. 6).
3. Procesy - środowisko procesu uniksowego (rozdz. 7), sterowanie
procesami (rozdz. 8), relacje między różnymi procesami (rozdz. 9) Systemy stosowane do sprawdzenia przykładów
oraz sygnały (rozdz. 10).
4. Rozszerzone informacje na temat wejścia-wyjścia - obsługa wejścia- Niestety, wszystkie systemy operacyjne nadal się rozwijają i powstają coraz
-wyjścia terminalu (rozdz. 11), złożone właściwości wejścia-wyjścia to nowsze ich wersje. Unix nie jest wyjątkiem. Na poniższym diagramie pre-
(rozdz. 12), procesy-demony (rozdz. 13). zentuję kolejne wersje Systemu V oraz 4.xBSD.
5. Techniki IPC - metody komunikacji międzyprocesowej (rozdz. 14 i 15).
6. Przykłady - biblioteka bazy danych (rozdz. 16), komunikacja z dru-
4.3+BSD
karką pracującą zgodnie ze standardem Postscript (rozdz. 17), pro-
gram obsługi modemu (rozdz. 18) oraz stosowanie pseudoterminali 4.3BSD 4.3BSD Tahoe 4.3BSD Reno 4.4BSD ?
(rozdz. 19). BSD Net 1 BSD Net 2
Do zrozumienia materiału zawartego w tej książce przyda się umiejęt-
1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992
ność programowania w języku C oraz znajomość ogólnych zasad funkcjono-
t t
wania systemów uniksowych. Nie trzeba natomiast mieć praktyki w progra-
SVR3.0 SYR3.1 SYR3.2 SVR4
mowaniu uniksowym. Jednym słowem, książka ta jest przeznaczona dla pro-
XPG3 ANSIC POSIX.l
gramistów obytych z systemem Unix oraz innymi systemami operacyjnymi,
którzy chcą poznać szczegóły dotyczące usług dostarczanych przez większość
systemów uniksowych. Pod nazwą 4.xBSD kryją się różne systemy tworzone przez grupę ba-
dawczą Computer Systems Research Group at the University of California at
Berkeley. Grupa ta udostępnia również wersje systemów BSD Net 1 i BSD
kłady w tekście Net 2 - publicznie dostępny kod źródłowy systemów 4.xBSD. Nazwa SVRx
odnosi się do wydania x Systemu V powstałego w firmie AT&T. XPG3 to
W książce jest wiele przykładów w języku C - ok. 10000 wierszy kodu źró- wydanie 3 dokumentu X/Open Portability Guide, czyli przewodnika na temat
dłowego - przy czym ten kod jest zgodny z normą ANSI C. Przy czytaniu przenośności, a ANSI C to nazwa standardu ANSI języka C. POSIX.l jest
książki warto mieć pod ręką podręcznik programowania w systemie Unix standardem IEEE oraz ISO dla interfejsu do systemu o cechach Uniksa. Wię-
cej informacji na temat tych standardów oraz ich kolejnych wersji Czytelnik
1 W czasie pisania książki system 4.4BSD był dopiero zapowiadany (przyp. tłum.). znajdzie w podrozdziałach 2.2 i 2.3.