Помните, мы говорили, что операционная система на накладывает структуру на файлы? Мы уже видели, что это было невинной ложью относительно каталогов. Это же относится к двоичным исполняемым файлам. Чтобы запустить программу, ядро должно знать, какая часть файла представляет инструкции (код), а какая — данные. Это ведет к понятию формата объектного файла, которое определяет, как эти данные располагаются внутри файла на диске.
Хотя ядро запустит лишь файлы, имеющие соответствующий формат, создание таких файлов задача утилит режима пользователя. Компилятор с языка программирования (такого как Ada, Fortran, С или С++) создает объектные файлы, а затем компоновщик или загрузчик (обычно с именем ld) связывает объектные файлы с библиотечными функциями для окончательного создания исполняемого файла. Обратите внимание, что даже если все нужные биты в файле размешены в нужных местах, ядро не запустит его, если не установлен соответствующий бит, разрешающий исполнение (или хотя бы один исполняющий бит для root).
Поскольку компилятор, ассемблер и загрузчик являются инструментами режима пользователя, изменить со временем по мере необходимости форматы объектных файлов (сравнительно) просто; надо только «научить» ядро новому формату, и он может быть использован. Часть ядра, загружающая исполняемые файлы, относительно невелика, и это не является невозможной задачей. Поэтому форматы файлов Unix развиваются с течением времени. Первоначальный формат был известен как a.out (Assembler OUTput — вывод сборщика). Следующий формат, до сих пор использующийся в некоторых коммерческих системах, известен как COFF (Common Object File Format — общий формат объектных файлов), а современный, наиболее широко использующийся формат — ELF (Extensible Linking Format — открытый формат компоновки). Современные системы GNU/Linux используют ELF.
Ядро распознает, что исполняемый файл содержит двоичный объектный код, проверяя первые несколько байтов файла на предмет совпадения со специальными магическими числами. Это последовательности двух или четырех байтов, которые ядро распознает в качестве специальных. Для обратной совместимости современные Unix-системы распознают несколько форматов. Файлы ELF начинаются с четырех символов «\177ELF».
Помимо двоичных исполняемых файлов, ядро поддерживает также исполняемые сценарии (скрипты). Такой файл также начинается с магического числа: в этом случае, это два обычных символа # ! . Сценарий является программой, исполняемой интерпретатором, таким, как командный процессор, awk, Perl, Python или Tcl. Строка, начинающаяся с #!, предоставляет полный путь к интерпретатору и один необязательный аргумент:
#! /bin/awk -f
BEGIN {print "hello, world"}
Предположим, указанное содержимое располагается в файле hello.awk и этот файл исполняемый. Когда вы набираете 'hello.awk', ядро запускает программу, как если бы вы напечатали '/bin/awk -f hello.awk'. Любые дополнительные аргументы командной строки также передаются программе. В этом случае, awk запускает программу и отображает общеизвестное сообщение hello, world.
Механизм с использованием #! является элегантным способом скрыть различие между двоичными исполняемыми файлами и сценариями. Если hello.awk переименовать просто в hello, пользователь, набирающий 'hello', не сможет сказать (и, конечно, не должен знать), что hello не является двоичной исполняемой программой.
1.1.4. Устройства
Одним из самых замечательных новшеств Unix было объединение файлового ввода- вывода и ввода-вывода от устройств.[14] Устройства выглядят в файловой системе как файлы, для доступа к ним используются обычные права доступа, а для их открытия, чтения, записи и закрытия используются те же самые системные вызовы ввода-вывода. Вся «магия», заставляющая устройства выглядеть подобно файлам, скрыта в ядре. Это просто другой аспект движущего принципа простоты в действии, мы можем выразить это как никаких частных случаев для кода пользователя.
В повседневной практике, в частности, на уровне оболочки, часто появляются два устройства: /dev/null и /dev/tty.
/dev/null является «битоприемником». Все данные, посылаемые /dev/null, уничтожаются операционной системой, а все попытки прочесть отсюда немедленно возвращают конец файла (EOF).
/dev/tty является текущим управляющим терминалом процесса — тем, который он слушает, когда пользователь набирает символ прерывания (обычно CTRL-C) или выполняет управление заданием (CTRL-Z).
Системы GNU/Linux и многие современные системы Unix предоставляют устройства /dev/stdin, /dev/stdout и /dev/stderr, которые дают возможность указать открытые файлы, которые каждый процесс наследует при своем запуске.
Другие устройства представляют реальное оборудование, такое, как ленточные и дисковые приводы, приводы CD-ROM и последовательные порты. Имеются также программные устройства, такие, как псевдотерминалы, которые используются для сетевых входов в систему и систем управления окнами, /dev/console представляет системную консоль, особое аппаратное устройство мини-компьютеров. В современных компьютерах /dev/console представлен экраном и клавиатурой, но это может быть также и последовательный порт
К сожалению, соглашения по именованию устройств не стандартизированы, и каждая операционная система использует для лент, дисков и т.п. собственные имена. (К счастью, это не представляет проблемы для того, что мы рассматриваем в данной книге.) Устройства имеют в выводе 'ls -l' в качестве первого символа b или с.
$ ls -l /dev/tty /dev/hda
brw-rw-rw- 1 root disk 3, 0 Aug 31 02:31 /dev/hda
crw-rw-rw- 1 root root 5, 0 Feb 26 08:44 /dev/tty
Начальная 'b' представляет блочные устройства, а 'c' представляет символьные устройства. Файлы устройств обсуждаются далее в разделе 5.4, «Получение информации о файлах».
1.2. Модель процессов Linux/Unix
Процесс является работающей программой.[15] Процесс имеет следующие атрибуты:
уникальный идентификатор процесса (PID);
• родительский процесс (с соответствующим идентификатором, PPID);
• идентификаторы прав доступа (UID, GID, набор групп и т.д.);
• отдельное от всех других процессов адресное пространство;
• программа, работающая в этом адресном пространстве;
• текущий рабочий каталог ('.');
• текущий корневой каталог (/; его изменение является продвинутой темой);
• набор открытых файлов, каталогов, или и того, и другого;
• маска запретов доступа, использующаяся при создании новых файлов;
• набор строк, представляющих окружение[16];
• приоритеты распределения времени процессора (продвинутая тема);
• установки для размещения сигналов (signal disposition) (продвинутая тема); управляющий терминал (тоже продвинутая тема).
Когда функция main() начинает исполнение, все эти вещи уже помещены в работающей программе на свои места. Для запроса и изменения каждого из этих вышеназванных элементов доступны системные вызовы; их освещение является целью данной книги.
Новые процессы всегда создаются существующими процессами. Существующий процесс называется родительским, а новый процесс — порожденным. При загрузке ядро вручную создает первый, изначальный процесс, который запускает программу /sbin/init; идентификатор этого процесса равен 1, он осуществляет несколько административных функций. Все остальные процессы являются потомками init. (Родительским процессом init является ядро, часто обозначаемое в списках как процесс с ID 0.)
14
Эта особенность впервые появилась в Multics, но Multics никогда широко не использовался —
15
Процесс может быть приостановлен, в этом случае он не «работающий»; но он и не завершён. В любом случае, на ранних этапах восхождения по кривой обучения не стоит быть слишком педантичным —