《Unix/Linux系统编程》教材学习笔记第一章、第二章

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一、关于Unix、Linux和Windows

1. Unix是一种通用型操作系统，采用PDP-11微型计算机开发，有许多个版本。

• AT&T Unix
• Berkeley Unix
• HP Unix
• IBM Unix
• Sun Unix

2. Linux是一个类Unix开源系统，最初由李纳斯基于Intel x86的个人计算机开发的一个实验性内核，目前也存在多个版本。

• Debian Linux
• Ubuntu Linux
• Linux Mint
• 基于RPM的Linux
• Slackware Linux

chatgpt延伸：Windows是世界上最流行的操作系统，由微软公司开发，是一种图形用户界面操作系统，为人们的工作生活带来不少便利，现在最新版为Win11，不久微软将会推出Win12。历史版本如下：

• Windows 1.0：1985年首次发布的初始版本。
• Windows 3.0和3.1：在1990年代早期广受欢迎的版本，引入了多任务处理和图形用户界面。
• Windows 95：1995年发布，引入了开始菜单和任务栏等标志性功能。
• Windows 98：1998年发布，是Windows 95的升级版本。
• Windows XP：2001年发布，被广泛认为是Windows历史上最成功的版本之一。
• Windows Vista：2007年发布，引入了新的用户界面和安全功能。
• Windows 7：2009年发布，受到了Windows XP用户的欢迎，具备更稳定的性能和改进的用户体验。
• Windows 8和Windows 8.1：2012年发布，引入了新的触摸友好界面。
• Windows 10：2015年发布，是目前（截止到我的知识截止日期）最新的主要版本，注重跨平台兼容性和云集成。
• Windows 11：2021年10月5日发布。
• Windows 12：尚未发布，但计划从2022年3月开始。

二、安装虚拟机、配置及使用

1.安装与配置虚拟机的教程网上一搜就有，这里给出两个较为详细的链接：

• 1.VMware16的安装及VMware配置Linux虚拟机(详解版)

• 2.VirtualBox安装Ubuntu Linux系统，详细教程（Ubuntu20.04 LTS）

2.调整屏幕分辨率

进入Linux系统后打开终端输入`xdiagnose`。在X诊断设置窗口中，启用Debug下所有选项，包括：

- 附加图形调试消息
- 显示启动消息
- 启用自动崩溃错误报告

注意：在使用上面的命令时需要用户权限，因此请输入`sudo xdiagnose`来使用此命令。

进行如上操作后，再将虚拟机的屏幕尺寸修改后就能生效。

3.安装C语言集成环境

使用`sudo apt-get install emacs`来安装用于C语言开发集成环境。

4.使用Ubuntu Linux的一些注意要点

- 使用Ctrl+Alt+T打开伪终端
- 用户默认为普通用户，而不是超级用户，若需要使用特殊命令需要使用`sudo command`
- 运行一个当前目录中的可执行文件命令为`./a.out`
- 一般安装的Linux版本为64位，若需要生成32位需要使用`gcc -m32 t.c # compile t.c into 32-bit code`
- 使用sh脚本大部分情况比直接操作GUI界面方便

三、了解Unix/Linux文件系统组织

Unix/Linux文件系统采用树形组织结构
其文件类型如下：

1.目录文件：包含其他目录

2.非目录文件：可以是REGULAR文件，也可以是SPECIAL文件，但只能是叶节点
非目录文件还可以分为如下：

	- 字符特殊文件
	- 块特殊文件
	- 其他类型

3.符号链接文件：指向其他文件的指针

文件路径名

Unix/Linux文件系统树的根节点（/）称为根（目录），每个节点路径可表示为：`/a/b/c/d OR a/b/c/d`,以“/”开头的路径名为绝对路径名，反之为相对路径名。

Unix/Linux命令

常用命令如下：

ls dir：打印目录下内容
cd dir：跳转目录
pwd：打印绝对路径
touch file：改变文件名时间戳（若没有就创建）
cat file：显示文件内容
cp src dest：复制文件
mv src dest：移动或重命名文件
mkdir dir：创建目录
rmdir dir：删除（空）目录
rm file：删除文件
ln old new：链接文件
find：搜索文件
grep：搜索包含
ssh：远处登录主机
gzip file：压缩为.gz
gunzip file.gz：解压.gz
tar -zcvf file.tgz .：从当前目录创建压缩tar
tar -zxvf file.tgz .：从.tgz文件中解压文件
man：手册（man command）
zip file.zip file：将文件压缩为.zip文件
unzip file.zip：解压.zip文件

四、Ubuntu Linux系统管理

1.用户账户信息保存在/etc/passwd文件中

2.添加新用户可使用命令`sudo adduser username`

3.为确保用户能够使用sudo，需要在/etc/sudoers文件中添加一行：`username ALL(ALL)  ALL`

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一、Linux中的文件编辑器

1.vim编辑器

关于vim的使用可以在终端中使用vimtutor进行初学，半小时左右就能搞定教程，但是只花这半小时是无法精通vim编辑器的，因此还需要花时间多加练习才能熟练掌握。

2.gedit编辑器

gedit是Ubuntu及其他使用GNOME GUI用户界面的Linux的默认编辑器

3.emacs编辑器

最受欢迎的版本是GNU Emacs。

以上三款编辑器都支持直接输入和全屏模式下的文本编辑，还支持关键词搜索，可用新文本替换字符串。

二、程序开发需要学习的内容

程序开发步骤：

1. 创建源文件t1.c与t2.c
2. 用gcc把源文件转换成二进制可执行文件，如：gcc t1.c t2.c
简述流程为：
t.c-->-E（转换成汇编代码）-->t.s-->-S（转换成目标代码）-->t.o-->-c（链接）-->a.out
t1.c-->编译器-->t1.s-->汇编器-->t1.o-->链接器-->a.out
t2.c-->编译器-->t2.s-->汇编器-->t2.o-->链接器-->a.out
如果需要修改生成文件的命名，则需要添加参数-o

静态与动态链接

静态库的静态链接包含a.out所需的库函数代码和数据，而共享库的动态链接中，库函数并没有在a.out中。
动态链接的优点：
1.可减小每个a.out文件大小
2.许多可执行程序可在内存中共享相同的库函数
3.修改库函数不需要重新编译源文件
动态链接所用的库称为动态链接库（DLL），在Linux中称为共享库（.so）

可执行文件格式

1.二进制可执行平面文件
2.a.out可执行文件
3.ELF可执行文件

程序执行

在类Unix操作系统中，在sh命令行输入a.out one two three执行a.out文件，以标记字符串作为命令行参数。

程序终止：分正常终止和异常终止

32位GCC中C函数的调用

对函数可见的栈区称为函数栈帧，对于每个函数的调用，堆栈都会向低地址增加一个被调函数的帧，CPU的帧指针指向当前执行函数的栈帧，保存的FP指向其调用者的帧。

64位GCC中运行时堆栈使用情况

与32有一些不同，调用函数时，前六个参数依次进入rdi、rsi、rdx、rcx、r8、r9，其他任何参数通过堆栈。进入后先建立栈帧（rbp），肯呢个向下移动堆栈指针（rsp）。GCC编译生成的代码可保持堆栈指针固定不懂，默认保留红色区域堆栈128字节。

C语言程序与汇编代码链接

汇编代码说明
GCC生成汇编代码由三部分组成：
1.入口代码prolog
2.函数体代码
3.退出代码epilog
可以用汇编语言实现C函数，也能从汇编中调用C函数

链接库

假设有一个函数在mysum.c中，main函数在t.c中
创建静态链接库：
gcc -c mysum.c
ar rcs libmylib.a mysum.o
gcc -static t.c -L. -lmylib
a.out
创建动态链接库：
gcc -c -fPIC mysum.c
gcc -shared -o libmylib.so mysum.o
gcc t.c -L. -lmylib
export LD_LIBRARY_PATH=./
a.out

makefile

格式：一个make文件由一系列目标项、依赖项和规则组成
程序：make程序读取makefile时会比较依赖项列表中源文件的时间戳来确定要构建哪些目标项

makefile示例：
1.创建名为mk1的makefile
	myt：type.h t.c mysum.c 			#target:dependency list
			gcc -o myt t.c mysum.c	#rule:line MUST begin with a TAB
2.使用mk1作为makefile运行make
	make -f mk1
	make将构建目标文件myt并将命令显示为：gcc -o myt t.c mysum.c
3.再次运行make会出现：
	make: 'myt' is up to date
4.使用touch更改文件时间戳
	touch type.h
	make -f mk1
make将重新编译链接源文件，生成新的myt文件
5.删除依赖项列表中的一些文件名，即使这些文件有更改make也不会执行rule命令

makefile中的宏示例：
1.创建一个名为mk2的makefile
CC = gcc			#define CC as gcc
CFLAGS = -Wall		#define CFLAGS as flags to gcc
OBJS = t.o mysum.o	#define object code files
INCLUDE = -Ipath	#define path as an INCLUDE directory

myt:type.h $(OBJS)	#target:dependency:type.h and .o files
		$(CC) $(CFLAGS) -o t $(OBJS) $(INCLUDE)
在makefile中，宏定义的符号——$被替换为它们的值，但是还需要添加：
t.o:	 t.c type.h		#t.o depend on t.c and type.h
		gcc -c t.c
mysum.o: mysum.c type.h	#mysum.o depend type.h
		gcc -c mysum.c
2.以mk2作为makefile运行make
make -f mk2
3.运行生成二进制可执行文件myt

输入命令测试mk3：
1.make [all] -f mk3		#build all targets:myt and install
2.make install -f mk3	#build target myt and install myt
3.make run -f mk3		#run /usr/local/bin/myt
4.make clean -f mk3		#remove all listed files

makefile变量
自动变量：
1.$@:当前目标名
2.$<:第一个依赖项名
3.$^:所有依赖项名
4.$*:不包含扩展名的当前依赖项名
5.$?:比当前目标更新的依赖项列表
make还支持后缀规则，后缀规则并非目标，而是make程序的指令

GDB调试

在emacs IDE中使用GDB
	1.源代码：在X-window下打开一个伪终端，使用EMACS创建makefile
	t:t.c
		gcc -g -o t t.c
	2.编译源代码：打开EMACS的tools菜单，然后选择Compile，然后在编辑窗口底部显示make -k并等待响应
	3.启动GDB：打开tools菜单并选择Debugger，底部会显示gdb -i=mi t并等待响应，按enter键启动GDB调试工具
	4.设置断点调试：
		b main


		b sub
		b 10
多窗口GDB：在GDB菜单中选择Gud->GDB-MI->Display Other Windows

三、C语言相关

C语言程序中的常见错误

1.未初始化的指针或含有错误值的指针
2.数组下标越界
3.字符串指针和char数组使用不当
4.assert宏：可以确保指针不为NULL和数组大小不超过极限
5.在程序代码中使用fprintf()和getchar()

C语言结构体

基本结构：
struct node{
	struct node *next；
	int key；
	char name[64];
};
或
typedef struct node{
	struct node *next；
	int key；
	char name[64];
}NODE;
定义一个指针NODE x
对单个字段的访问为：
x.next
x.key
x.name
在运行时每个字段都作为相对于结构体起始地址的偏移量进行访问。

一个结构体的大小可以由sizeof(struct type)确定。
如果需要可以使用PACKED属性定义C结构体：
typedef struct node{
	struct node *next；
	int key；
	char name[2];
}__attribute__((packed, aligned(1))) NODE;
这种情况结构体大小为10字节，否则将自动填充为12字节。

使用库函数memncpy(&y,&x,sizeof(NODE))复制整个结构体。
联合体和结构体类似
union node{
	int *ptr；
	int ID；
	char name[32];
}x;
union的大小由最大的成员决定，在x中最大的为name32字节，因此x的大小为32字节。

C语言中指针是指向其他数据对象的变量（地址）。

C语言类型转换：
显式转换
隐式转换
常规数据类型与指针类型
需要使用转换运算符(TYPE)变量来实现

链表

可分为单向链表，双向链表等
操作：构建，遍历，搜索，插入，删除，重新排序

构建方法:使用数组(node[N])构建和使用堆区构建(node = (NODE *)malloc(N*sizeof(NODE));)

插入：头插法和尾插法

循环链表：尾节点指向头结点

可扩充结构体：包含不完全指定字段，必须要为实际结构体分配所需内存

双向链表：列表中元素按向前和向后两个方向链接

注意：在进行链表操作时应当注意链表结束的条件

树

树是由多级链表构成的动态数据结构
类型：二叉树，森林等

二叉搜索树的性质：
所有节点值不同；
节点左子树只包含值小于该节点值的节点；
节点右子树只包含值大于该节点值的节点；
左右子树也是二叉搜索树。

二叉搜索树的构建
二叉树遍历算法：先序遍历、中序遍历、后序遍历、深度优先遍历算法、广度优先遍历算法

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