【Linux系统编程】初识系统编程

一、什么是系统编程

系统编程（System Programming）是计算机科学中的一个重要领域，专注于开发与计算机硬件和操作系统直接交互的软件。它涉及底层操作、资源管理、系统服务的实现，以及对硬件资源的直接控制。

系统编程（System Programming）是计算机科学中的一个重要领域，专注于开发与计算机硬件和操作系统直接交互的软件。它涉及底层操作、资源管理、系统服务的实现，以及对硬件资源的直接控制。以下是系统编程的详细介绍：

1. 系统编程的定义

系统编程是指编写与操作系统内核、硬件设备、系统资源（如内存、CPU、I/O设备）直接交互的软件。它的主要目标是提供高效、可靠的基础设施，以支持上层应用程序的运行。

• 与应用程序编程的区别 ：
  • 应用程序编程：关注用户功能（如Web开发、移动应用开发）。
  • 系统编程：关注底层功能（如内存管理、进程调度、设备驱动）。

2. 系统编程的特点

1. 与硬件和操作系统紧密相关 ：

   • 直接调用操作系统提供的API（如Linux的系统调用）。
   • 直接操作硬件资源（如内存、寄存器、设备控制器）。

2. 高效性和性能优化 ：

   • 系统软件是其他应用程序运行的基础，因此对性能要求极高。
   • 需要优化代码以减少资源占用和提高执行效率。

3. 低级别语言 ：

   • 通常使用C、C++、汇编语言等低级语言，因为它们提供了对硬件的直接控制能力。
   • 高级语言（如Python、Java）通常不适合系统编程，因为它们的抽象层次较高。

4. 复杂性和难度 ：

   • 涉及复杂的底层逻辑，如并发控制、内存管理、错误处理等。
   • 调试和测试系统程序比普通应用程序更具挑战性。

3. 系统编程的应用领域

1. 操作系统开发 ：

   • 编写操作系统内核、文件系统、进程调度器等。
   • 例如，Linux、Windows、macOS等操作系统的开发。

2. 设备驱动程序 ：

   • 编写硬件设备的驱动程序，使操作系统能够与硬件通信。
   • 例如，显卡驱动、网络适配器驱动等。

3. 嵌入式系统 ：

   • 为嵌入式设备（如智能家居、工业控制器）编写固件和底层软件。
   • 例如，物联网设备的开发。

4. 系统工具和实用程序 ：

   • 编写系统管理工具，如编译器、调试器、网络协议栈等。
   • 例如，GCC编译器、Wireshark网络分析工具。

5. 虚拟化和容器技术 ：

   • 实现虚拟机管理程序（如KVM、Xen）和容器引擎（如Docker）。
   • 例如，云计算平台的基础设施开发。

4. 系统编程的核心概念

1. 系统调用（System Call） ：

   • 应用程序通过系统调用请求操作系统提供服务，如文件操作、进程管理、网络通信等。
   • 例如，在Linux中， open() 、 read() 、 write() 等函数都是系统调用。

2. 内存管理 ：

   • 管理物理内存和虚拟内存，包括内存分配、释放、分页、分段等。
   • 例如，C语言中的 malloc() 和 free() 函数。

3. 进程和线程 ：

   • 管理进程的创建、调度、同步和通信。
   • 例如，Linux中的 fork() 、 exec() 、 pthread_create() 等函数。

4. 文件系统 ：

   • 实现文件的存储、检索和管理。
   • 例如，Linux中的 ext4 、 NTFS 等文件系统。

5. 网络编程 ：

   • 实现网络协议的栈和通信机制。
   • 例如，TCP/IP协议栈、Socket编程。

6. 中断处理 ：

   • 处理硬件中断，以响应外部事件（如键盘输入、网络数据到达）。
   • 例如，Linux中的中断处理程序（ISR）。

7. 并发和同步 ：

   • 管理多个进程或线程的并发执行，确保数据一致性和资源竞争的正确处理。
   • 例如，使用互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）等同步机制。

5. 系统编程的工具和技术

1. 编程语言 ：

   • C、C++、汇编语言是系统编程的主要语言。
   • Rust也逐渐成为系统编程的热门选择，因为它提供了内存安全性。

2. 开发工具 ：

   • 编译器：GCC、Clang
   • 调试器：GDB、LLDB
   • 性能分析工具：Valgrind、Perf

3. 操作系统API ：

   • Linux系统调用： syscall 、 open 、 read 、 write
   • Windows API： CreateProcess 、 ReadFile 、 WriteFile

4. 虚拟化和容器技术 ：

   • 虚拟机管理程序：KVM、Xen
   • 容器引擎：Docker、Kubernetes

二、操作系统四大基本功能

1. 进程管理（Process Management）

• 操作系统负责创建、调度、终止进程，并管理进程之间的通信和同步。
• 确保CPU资源的高效利用，通过进程调度算法（如先来先服务、短作业优先、时间片轮转等）分配CPU时间。

2. 内存管理（Memory Management）

• 操作系统管理计算机的主存（RAM），负责分配和回收内存空间。
• 实现虚拟内存技术，允许程序使用比物理内存更大的地址空间，并通过页面置换算法（如FIFO、LRU等）管理内存页面。

3. 文件系统管理（File System Management）

• 操作系统提供文件存储、检索、组织和保护的功能。
• 管理文件的创建、删除、读写和权限控制，确保数据的安全性和一致性。

4. 设备管理（Device Management）

• 操作系统管理计算机的硬件设备，包括输入输出设备（如键盘、鼠标、打印机等）。
• 通过设备驱动程序与硬件交互，提供设备的中断处理、缓冲和调度功能。

三、计算机系统分层

计算机系统通常可以分为多个层次，每一层都有其特定的功能和职责。

1. 硬件层（Hardware Layer）

• 这是计算机系统的最底层，包括物理硬件设备，如处理器（CPU）、内存（RAM）、硬盘、输入输出设备（键盘、鼠标、显示器等）。
• 硬件层提供计算机系统运行所需的物理资源。

2. 操作系统层（Operating System Layer）

• 操作系统层位于硬件层之上，负责管理硬件资源并提供基本的系统服务。
• 主要功能包括进程管理、内存管理、文件系统管理、设备管理等。

3. 系统软件层（System Software Layer）

• 这一层包括各种系统工具和库，如编译器、调试器、链接器、系统库等。
• 系统软件层为应用程序提供运行环境和开发支持。

4. 应用软件层（Application Software Layer）

• 这是最上层，包括各种应用程序，如办公软件、浏览器、游戏、数据库管理系统等。
• 应用软件层直接为用户提供服务，满足用户的具体需求。

5. 用户层（User Layer）

• 用户层包括最终用户，他们通过应用软件与计算机系统进行交互。
• 用户层是计算机系统的最终服务对象。

这些层次之间通过接口进行交互，每一层都依赖于下层的服务，并为上层提供支持。这种分层结构使得计算机系统的设计、开发、维护和扩展更加模块化和高效。

四、我们如何使用呢

1.系统调用接口

操作系统提供的函数，我们称之为系统调用函数或系统调用接口，比如 ls 命令就是一个封装好的程序（和我们知道的 a.out 本质上没区别），会调用内核接口， fopen() 也会调用系统库中的 open()

应用程序不能直接访问内核代码和数据，只能通过系统调用接口

2.函数库

1）标准C库下的 printf() 、 scanf() 等，可以跨平台使用。windows和linux都可以使用。

绝大多数标准C库的函数会调用操作系统的提供的函数，比如 printf() 会调用系统库中的 write() ，再比如 fopen() 调用系统库中的 open()

2）但是linux系统库下的函数不能跨平台使用，我们这里使用linux提供的。

3.shell

俗称壳， shell 是用户和系统交互的媒介，终端窗口不等于 shell ，只是打开终端会运行 shell 。我们敲的命令比如 ls ，借助shell就可以执行。 shell 是个统称，不同的Linux发行版运行shell不同，比如我们进程在Ubuntu运行的shell就是 bash 。