文客中文网:怎么着手学UNIX？

一、概述

标准 UNIX 操作系统是一个交互式的分时系统，提供了一个支持程序开发全过程的基础和环境，可以支持40个终端用户。UNIX系统是由美国电报电话公司（AT&T）下属的Bell实验室的两名程序员K.汤普逊（Ken Thompson）和D.里奇(Dennis Ritchie)于1969～1970年研制出来的。UNIX问世以来十分流行，它运行在从高档微机到大型机各种具有不同处理能力的机器上。目前，UNIX除了可在PDP-11 、DEC公司的VAX-11系统的各种机型上运行之外，还可以在IBM的370、3300系列机和Amdahi公司、Data General公司、Hp公司的系列机上。近年来，几乎所有的16位机、32位微型计算机都竞相移植UNIX。这种情况在操作系统发展的历史上是极为罕见的。随着UNIX的普及,书写系统的C语言也成为引人注目的语言，得到广泛使用。

UNIX系统获得了巨大的成功，这有着内在的原因和客观的因素。客观条件之一是，UNIX问世之前己有许多操作系统研制成功，其中有成功的经验，也有失败的教训，而UNIX的设计者正是经过认真考虑，作了适当的取舍，使UNIX站在前人肩头上获得成功（MULTICS用了200人年未达到原定目标，UNIX只用了2个人年）；其二是,由于当时人们需要一个使用方便、能提供良好开发环境、大小适中的系统，UNIX恰是生逄其时；其三是，UNIX是在PDP-11系列机上开发出来的，这种机器在世界上己得到广泛应用，这为UNIX广泛配置创造了条件。当然，UNIX成功的关键是在于自身的性能和特点。

UNIX的主要特点是：短小精悍、简易有效、并具有易理解、易扩充、易移植性。

UNIX的核心程序由约10000行C语言代码和1000行汇编语言代码构成，被分成能独立编译和汇编的44个文件，每个文件又分若干过程。这些文件可分以下三类：

⑴汇编语言文件：系统只有2个文件用汇编语言编程,包含33个汇编子程序，与机器硬件直接相关的部分，如中断处理、系统启动等，为了提高效率，有些频繁使用的基本过程，也用汇编语言编写。

⑵C语言文件：共有28个,其中包括进程管理的主要过程，它们又可分成190个子程序 。文件可以独立编译，经装配程序连接装配后就可执行。

⑶C语言全局变量文件：共14个,其中含有结构的重要说明。这类文件不能独立编译，而必须和某个C语言文件一起编译。

二、UNIX操作系统的主要特点

1.精巧的核心与丰富的实用层

UNIX系统在结构上分成内核层和实用层。核心层小巧，而实用层丰富。核心层包括进程管理、存储管理、设备管理、文件系统几个部分。UNIX核心层设计得非常精干简洁，其主要算法经过反复推敲，对其中包含的数据结构和程序进行了精心设计。因此，核心层只需占用很小的存储空间，并能常驻内存，以保证系统以较高的效率工作。

实用层是那些能从核心层分离出来的部分，它们以核外程序形式出现并在用户环境下运行 。这些核 外程序包含有丰富的语言处理程序。UNIX支持十几种常用程序设计语言的编译和解释程序,如C、APL、FORTRAN77、PASCAL、SNOBOL、COBOL、BASIC、ALGOL68等语言及其编译程序。还包括其他操作系统常见的实用程序，如编辑程序、调试程序、有关系统状态监控和文件管理的实用程序等。UNIX还有一组强有力的软件工具，用户能比较容易地使用它们来开发新的软件。这些软件工具包括:用于处理正文文件的实用程序troff,源代码控制程序SCC
S(Source Code Control System),命令语言的词法分析程序和语法分析程序的生成程序LEX(Generator of Lexical Analyzers)和YACC(Ye
t Another Compiler Compiler)等。另外，UNIX的命令解释程序Shel
l也属于核外程序 。正是这些核外程序给用户提供了相当完备的程序设计环境。

UNIX的核心层向核外程序提供充分而强有力的支持。核外程序则以内核为基础，最终都使用由核心层提供的低层服务，它们逐渐都成了“UNIX系统”的一部分。核心层和实用层两者结合起来作为一个整体，向用户提供各种良好的服务。

2.使用灵活的命令程序设计语言Shell

Shell首先是一种命令语言。UNIX 的200多条命令对应着200个实用程序。Shell 也是一种程序设计语言。它具有许多高级语言所拥有的控制流能力，如if、for、while、until、case语句,以及对字符串变量的赋值、替换、传替参数、命令替换等能力。用户可以利用这些功能用Shell语言写出“Shell”程序存入文件。以后用户只要打入相应的文件名就能执行它。这种方法易于系统的扩充。

3.层次式文件系统

UNIX系统采用树型目录结构来组织各种文件及文件目录。这样的组织方式有利于辅助存储器空间分配及快速查找文件，也可以为不同用户的文件提供文件共享和存取控制的能力，且保证用户之间安全有效的合作。

4.文件和设备统一看待

UNIX系统中的文件是无结构的字节序列。在缺省情况下，文件都是顺序存取的，但用户如果需要的话，也可为文件建立自己需要的结构，用户也可以通过改变读／写指针对文件进行随机存取。

UNIX将外围设备与文件一样看待，外围设备如同磁盘上的普通文件一样被访问、共享和保护。用户不必区分文件和设备，也不需要知道设备的物理特性就能访问它。例如系统中行式打印机对应的文件名是／dev/lp 。用户只要用文件的操作（write）就能把它的数据从打印机上输出。这样在用户面前，文件的概念简单了，使用也方便了。

5.良好的移植性

UNIX的所有实用程序和核心的90%代码是用C语言写成的，这使得UNIX成为一个可移植的操作系统。操作系统的可移植性带来了应用程序的可移植性，因而用户的应用程序即可用于小型机，又可用于其他的微型机或大型机。从而大大提高了用户的工作效率。

虽然UNIX系统取得了巨大的成功，但它也不是没有缺点的。概括起来，对UNIX的批评有如下几点：

1.UNIX系统的版本太多，造成应用程序的可移植性不能完全实现

UNIX是用C语言写成的,因而容易修改和移植。UNIX也鼓励用户用UNIX的工具开发适合自己需要的环境，这样造成了UNIX版本太多而不统一。为了解决这一问题，目前 AT&T己与四家重要的微机厂家(Inte
r,Motorola ,Zilog和National Semiconductor)合作制订统一的UNIX
system V版本，这将会给UNIX的标准化以重大影响。

2.UNIX系统缺少诸如实时控制、分布式处理、网络处理能力

这一缺点也在不断改进中，以UNIX为基础的分布式系统和具有实时处理能力的系统己在研制中，有的已研制成功。

3.UNIX系统的核心是无序模块结构

UNIX系统的核心有90%是用C语言写成的，但其结构不是层次的，故显得十分复杂，不易修改和扩充。

UNIX系统的这些缺点比起它的成就而言是十分次要的，它的成功是辉煌的。

三、UNIX系统结构

UNIX操作系统采用以全局变量为中心的模块结构，因而系统结构较为复杂，这主要表现在：模块间的循环调用和文件之间的全局变量问题。

从结构上看，UNIX可以分为核心层和外壳层，核心层又分成与硬件接口的设备驱动、物理存储块管理的最低层及实现存储管理、文件管理、设备管理、进程管理等功能的低层。核心的外层是系统调用，它是UNIX核心的对外接口。最外层的Shell是用户与UNIX系统的接口,其他的各种实用程序和用户程序也在这一层运行。

系统结构如图8.1所示。

1.Shell

UNIX提供的用户接口是一种被称为Shell的命令语言,这种命令语言的解释程序也称为Shell 。在系统初始启动时为每个用户建立一个Shell进程，每个Shell进程等待用户输入命令。命令的最简单形式是一个命令行，由命令名和若干参数组成,中间用空格隔开。Shell解释执行命令时,先区分命令名和参数,然后根据命令名找出对应的文件，把文件读入内存，并按给出的参数解释执行。

命令的执行是通过 fork 系统调用来完成的，Shell进程调用for
k后,fork创建一个Shell进程的子进程且让Shell进程等待。子进程解释执行命令，命令执行结束时子进程调用exit系统调用完成终止子进程和释放父进程的工作。Shell进程被释放后,给出允许用户输入下一个命令行的提示，命令的基本执行过程如图8.2。

UNIX的交互系统要求用户必须等待前一行命令执行结束，在终端上出现提示符后才能输入下一个命令行。由于有些命令的执行时间较长，因此为了减少用户等待时间,在UNIX系统中允许用户使用Shell命令语言编写程序来表示一组命令的执行顺序，用命令语言编写成的程序称Shell程序。Shell程序存放在文件上，需要时由命令解释程序去执行Shell程序中的各个命令。

2.系统调用

系统调用是用户程序请求操作系统为其服务的惟一形式，在UNIX中把系统调用称为程序员接口。UNIX规定用户程序用捕俘(trap)指令请求系统服务，UNIX核心中的中断捕俘程序根据trap的类型转向相应的处理程序。Trap指令形式如下：

UNIX第6版共有41条系统调用，可以分成以下三类：

①与进程管理有关的系统调用，如建立子进程、等待子进程、睡眠、发信号、修改数据段大小等。

②与文件管理有关的系统调用，如建立文件、连接文件、打开文件、关闭文件 、读文件 、写文件以及修改当前目录、修改文件属性等。

③其他系统调用，如取当前用户号 、取日历时间 、读取进程运行时间、改变优先数等。

在系统调用中，参数的传递有两种方式。第一种方式：在程序中通过trap指令后继单元传送。这一方式又分为直接方式和间接方式。在直接方式中,允许在trap指令的后继单元中最多可放5个参数；在间接方式中，trap指令的后继单元放的是一个参数区指针，在这个参数区可以存放更多的参数。第二种方式是通过寄存器R0,R1传递参数的。

UNIX的系统程序员界面这包括了大量的库子程序和标题文件。标题文件定义了在系统调用中使用的复杂数据结构；库子程序和库函数为系统调用提供了附加的程序支持。

3.存储管理

UNIX系统最初是在 PDP-11 上开发的，PDP-11是段式结构的存储器，在PDP-11中把段称作页，每一页可包含若干块，每块64个字节，主存以块为单位进行分配。

存储分配采用优先适应算法，存储空间使用空闲区表来管理。每表占50项，每项2个单元，一个指向相应空闲区起始块号,另一个指出空闲区大小。表内各项次序按空闲区地址从低到高排列，若有两个相邻空闲区则合并成一个。表项内容为0，表示表尾。

由于PDP-11不支持虚拟存储器，所以UNIX中内存用户区和磁盘对换区的分配和释放由存储管理模块管理。在对换程序的管理下内存用户区和磁盘对换区连成一体，起着虚拟存储器的作用。对换进程扫描PCB表，发现辅存有就绪进程时，查内存是否有空闲区,若有空闲区则直接调入；否则要把内存中某些进程换出，若内存没有可换出进程，则对换进程处于等待状态，直到某些事件发生，唤醒后再度工作。辅存有多个就绪进程时，按先进先出换进内存；内存有多个进程可换出时，则选可换进程中优先数低的进程换出。

当进程要增加页长时，可通过申请新页、释放旧页来实现。若内存无足够空间，则在辅存申请新页，同时将进程整个换到辅存。