[架构之路-59]：目标系统 - 平台软件 - 基础中间件 - POSIX（可移植操作系统接口）与标准库函数libc

Posted 2022-11-24 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 POSIX（可移植操作系统接口）概述

1.1 什么是POSIX

1.2 发布者-IEEE

1.3 标准的下载位置

1.4 标准的起源

1.5 谁遵守这个标准

第2章 POSIX接口的支持方式

2.1POSIX的好处：可移植性

2.3 程序的可移植性及其本质

2.4 示例

第3章 glibc主要功能简介

3.1 c语言库概述

3.2 glibc概述

3.3 POSIX标准的C语言头文件

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第1章 POSIX（可移植操作系统接口）概述

1.1 什么是POSIX

可移植操作系统接口（英语：Portable Operating System Interface，缩写为POSIX）。

POSIX是为要在各种UNIX操作系统上运行软件，而定义的一系列互相关联的OS API标准的总称。

1.2 发布者-IEEE

发布者为电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers），简称IEEE。这个协会老牛了【该组织在太空、计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品等领域中都是主要的权威】！

其正式称呼为IEEE Std 1003，而国际标准名称为ISO/IEC 9945。此标准源于一个大约开始于1985年的项目。POSIX这个名称是由理查德·斯托曼（RMS）应IEEE的要求而提议的一个易于记忆的名称。它基本上是Portable Operating System Interface（可移植操作系统接口）的缩写，而X则表明其对Unix API的传承。

IEEE，总部位于美国纽约，是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，也是目前全球最大的非营利性专业技术学会。IEEE致力于电气、电子、计算机工程和与科学有关的领域的开发和研究，在太空、计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品等领域已制定了1300多个行业标准，现已发展成为具有较大影响力的国际学术组织

1.3 标准的下载位置

标准线上地址： http://www.unix.org/version3/online.html 注册后可以在线阅读或者下载。

1.4 标准的起源

POSIX是Unix的标准。

1974年，贝尔实验室正式对外发布Unix。因为涉及到反垄断等各种原因，加上早期的Unix不够完善，于是贝尔实验室以慷慨的条件向学校提供源代码，所以Unix在大专院校里获得了很多支持并得以持续发展。

于是出现了好些独立开发的与Unix基本兼容但又不完全兼容的OS，通称Unix-like OS。

包括：

1. 美国加州大学伯克利分校的Unix4.xBSD(Berkeley Software Distribution)。
2. 贝尔实验室发布的自己的版本，称为System V Unix。
3. 其他厂商的版本，比如Sun Microsystems的Solaris系统,则是从这些原始的BSD和System V版本中衍生而来。

20世纪80年代中期，Unix厂商试图通过加入新的、往往不兼容的特性来使它们的程序与众不同。

局面非常混乱，麻烦也就随之而来了。

为了提高兼容性和应用程序的可移植性，阻止这种趋势， IEEE(电气和电子工程师协会)开始努力标准化Unix的开发，后来由 Richard Stallman命名为“Posix”。

这套标准涵盖了很多方面，比如Unix系统调用的C语言接口、shell程序和工具、线程及网络编程。

有了这个规范，你就可以调用通用的API了，Linux提供的POSIX系统调用在Unix上也能执行，因此学习Linux的底层接口最好就是理解POSIX标准。

1.5 谁遵守这个标准

首先就是大名鼎鼎的Unix和Linux了，除此之外还有苹果的操作系统也是Unix-based的。

Windows从WinNT开始就有兼容POSIX的考虑。这是因为当年在要求严格的领域，Unix地位比Windows高。为了把Unix用户拉到Windows阵营，被迫支持POSIX。现在Win10对 Linux/POSIX 支持好。

第2章 POSIX接口的支持方式

2.1POSIX的好处：可移植性

Linux下提供两种方式支持可移植性：

系统调用（system call）和库函数调用（Library functions）。

（1）系统调用

系统调用是通向操作系统本身的接口，是面向底层硬件的。

通过系统调用，可以使得用户态运行的进程与硬件设备(如CPU、磁盘、打印机等)进行交互，是操作系统留给应用程序的一个接口。

（2）库函数（符合POSIX标准）

库函数（Library function）是把函数放到库里，供别人使用的一种方式。

方法是把一些常用到的函数编完放到一个文件里，供不同的人进行调用。一般放在.lib文件中。

库函数调用则是面向应用开发的，库函数可分为两类，

• 一类是C语言标准规定的库函数，
• 一类是编译器特定的库函数。

(由于版权原因，库函数的源代码一般是不可见的，但在头文件中你可以看到它对外的接口)。

glibc 是 Linux 下使用的开源的标准 C 库，它是 GNU 发布的 libc 库，即运行时库。这些基本函数都是被标准化了的，而且这些函数通常都是用汇编直接实现的。

glibc 为程序员提供丰富的 API（Application Programming Interface），这些API都是遵循POSIX标准的，API的函数名，返回值，参数类型等都必须按照POSIX标准来定义。

POSIX兼容也就指定这些接口函数兼容，但是并不管API具体如何实现。

2.2 系统调用与库函数的关系

如上图所示：

1. 归属不同：库函数是语言或应用程序的一部分，而系统调用是内核提供给应用程序的接口，属于系统的一部分
2. 地址空间不同：库函数在用户地址空间执行，系统调用是在内核地址空间执行，库函数运行时间属于用户时间，系统调用属于系统时间，库函数开销较小，系统调用开销较大
3. 依赖性不同：系统调用依赖于平台，库函数并不依赖
4. 库函数是应用程序和库函数之间一座桥梁。

2.3 程序的可移植性及其本质

那么目标代码和启动代码是怎么生成的呢？ 答案是编译器。

编程语言编写的程序首先要被编译器编译成目标代码（0、1代码），然后在目标代码的前面插入启动代码，最终生成了一个完整的程序。

要注意的是，程序中为访问特定设备（如显示器）或者操作系统（如windows xp 的API)的特殊功能而专门编写的部分通常是不能移植的。

综上所述，一个编程语言的可移植性取决于

1. 不同平台编译器的数量
2. 对特殊硬件或操作系统的依赖性

移植是基于操作系统的。

（1）二进制代码：

我们需要注意一点：基于各种操作系统平台不同，应用程序在二进制代码级别是不能直接移植的。

（2）OS API源代码

我们只能在源代码层去思考可移植问题，在API层面上由于各个操作系统的命名规范、系统调用等自身原因，在OS API层面上实现可移植也是不大可能的。

（3）C语言函数库

在各个平台下，我们默认C标准库中的函数都是一样的，这样基本可以实现可移植。

但是对于C库本身而言，在各种操作系统平台下其内部实现是完全不同的，也就是说C库封装了操作系统API在其内部的实现细节。

因此，C语言提供了我们在代码级的可移植性，即这种可移植是通过C语言这个中间层来完成的。

例如在我们的代码中下功夫。以下代码可以帮助我们实现各平台之间的可移植：

#ifdef _WINDOWS_
       CreateThread();      //windows下线程的创建
#else
       Pthread_create();    //Linux下线程的创建
#endif

对于头文件，也使用同样的预编译宏来实现。如：

#ifndef _WINDOWS_
       #include <windows.h>
#else
       #include <thread.h>
#endif

这样就可以实现代码的可移植了。在编译的时候只要通过#define就可以选择在那个平台下完成程序的编译。有c语言库实现对不同操作系统平台的屏蔽。

综上所述，我们都是将C，C++等各种语言库当作中间层，以实现其一定程度上的可移植。如今，语言的跨平台的程序都是以这样的方式实现的。但是在不同的平台下，仍需要重新编译。

2.4 示例

如下图是Linux系统调用的大概流程。

当应用程序调用printf()函数时，printf函数会调用C库中的printf，继而调用C库中的write，C库最后调用内核的write()。

而另一些则不会使用系统调用，比如strlen, strcat, memcpy等。

printf函数执行过程中，程序运行状态切换如下：

用户态–>系统调用–>内核态–>返回用户态

printf函数、glibc库和系统调用在系统中关系图如下：

第3章 glibc主要功能简介

3.1 c语言库概述

glibc和libc都是Linux下的C函数库：

libc是Linux下的ANSI C函数库，

glibc是Linux下的GUN C函数库。

glibc是遵循POSIX标准的C语言函数库，因此，我们可以通过glibc来理解POSIX接口的主要功能。

3.2 glibc概述

glibc是GNU发布的libc库，即c运行库。glibc是linux系统中最底层的api，几乎其它任何运行库都会依赖于glibc。

glibc除了封装linux操作系统所提供的系统服务外，它本身也提供了许多其它一些必要其他功能服务的实现。

由于glibc囊括了几乎所有的 UNIX 通行的标准，可以想见其内容包罗万象。

glibc是一种按照LGPL许可协议发布的，自由的，公开源代码的，方便从网络下载的C的编译程序。GNU C运行期库，是一种C函数库，是程序运行时使用到的一些API集合，它们一般是已预先编译好，以二进制代码形式存在Linux类系统中，GNU C运行期库通常作为GNU C编译程序的一个部分发布。

glibc最初是自由软件基金会（FSF）为其GNU操作系统所写，但当前最主要的应用是配合Linux内核，成为GNU/Linux操作系统一个重要的组成部分。

3.3 POSIX标准的C语言头文件

（1）基本计算

<assert.h> ---------------------- 验证程序断言
<complex.h> ---------------------- 支持复数算术运算
<ctype.h> ---------------------- 字符类型
<errno.h> ---------------------- 出错码
<fenv.h> ---------------------- 浮点环境
<float.h> ---------------------- 浮点常量
<inttypes.h> ---------------------- 整型格式转换
<iso646.h> ---------------------- 替代关系操作符宏
<limits.h> ---------------------- 实现常量
<locale.h> ---------------------- 局部类别
<math.h> ---------------------- 数学常量
<setjmp.h> ---------------------- 非局部goto
<signal.h> ---------------------- 信号
<stdarg.h> ---------------------- 可变参数表
<stdbool.h> ---------------------- 布尔类型和值
<stddef.h> ---------------------- 标准定义
<stdint.h> ---------------------- 整型
<stdio.h> ---------------------- 标准I/O库
<stdlib.h> ---------------------- 实用程序库函数
<string.h> ---------------------- 字符串操作
<tgmath.h> ---------------------- 通用类型数学宏
<time.h> ---------------------- 时间和日期
<wchar.h> ---------------------- 扩展的多字节和宽字符支持
<wctype.h> ---------------------- 宽字符分类和映射支持

（2）网络与文件

<dirent.h> ---------------------- 目录项
<fcntl.h> ---------------------- 文件控制
<fnmatch.h> ---------------------- 文件名匹配类型
<glob.h> ---------------------- 路径名模式匹配类型
<grp.h> ---------------------- 组文件
<netdb.h> ---------------------- 网络数据库操作
<pwd.h> ---------------------- 口令文件
<regex.h> ---------------------- 正则表达式
<tar.h> ---------------------- tar归档值
<termios.h> ---------------------- 终端I/O
<unistd.h> ---------------------- 符号常量
<utime.h> ---------------------- 文件时间
<wordexp.h> ---------------------- 字扩展类型
<arpa/inet.h> ---------------------- Internet定义
<net/if.h> ---------------------- socket套接字本地接口
<netinet/in.h> ---------------------- Internet地址族
<netinet/tcp.h> ---------------------- 传输控制协议定义
<sys/mman.h> ---------------------- 内存管理声明
<sys/select.h> ---------------------- select函数
<sys/socket.h> ---------------------- 套接字接口
<sys/stat.h> ---------------------- 文件状态
<sys/times.h> ---------------------- 进程时间
<sys/types.h> ---------------------- 基本系统数据类型
<sys/un.h> ---------------------- UNIX域套接字定义
<sys/utsname.h> ---------------------- 系统名
<sys/wait.h> ---------------------- 进程控制

（3）POSIX标准定义的XSI扩展头文件(26项) 

<cpio.h> ---------------------- cpio归档值
<dlfcn.h> ---------------------- 动态链接
<fmtmsg.h> ---------------------- 消息显示结构
<ftw.h> ---------------------- 文件树漫游
<iconv.h> ---------------------- 代码集转换实用程序
<langinfo.h> ---------------------- 语言信息常量
<libgen.h> ---------------------- 模式匹配函数定义
<monetary.h> ---------------------- 货币类型
<ndbm.h> ---------------------- 数据库操作
<nl_types.h> ---------------------- 消息类别
<poll.h> ---------------------- 轮询函数
<search.h> ---------------------- 搜索表
<strings.h> ---------------------- 字符串操作
<syslog.h> ---------------------- 系统出错日志记录
<ucontext.h> ---------------------- 用户上下文
<ulimit.h> ---------------------- 用户限制
<utmpx.h> ---------------------- 用户帐户数据库
<sys/ipc.h> ---------------------- IPC
<sys/msg.h> ---------------------- 消息队列
<sys/resource.h> ------------------- 资源操作
<sys/sem.h> ---------------------- 信号量
<sys/shm.h> ---------------------- 共享存储
<sys/statvfs.h> ---------------------- 文件系统信息
<sys/time.h> ---------------------- 时间类型
<sys/timeb.h> ---------------------- 附加的日期和时间定义
<sys/uio.h> ---------------------- 矢量I/O操作

（4）POSIX标准定义的可选头文件(8项) 

<aio.h> ---------------------- 异步I/O
<mqueue.h> ---------------------- 消息队列
<pthread.h> ---------------------- 线程
<sched.h> ---------------------- 执行调度
<semaphore.h> ---------------------- 信号量
<spawn.h> ---------------------- 实时spawn接口
<stropts.h> ---------------------- XSI STREAMS接口
<trace.h> ---------------------- 时间跟踪