Table Of ContentAndreas Hieronymus
UNIX -
Systemarchitektur
und Programmierung
Programmierhandbucher
~-- fur den anspruchsvollen Leser
UNIX fur Systemverwalter
Eine professionelle Anleitung am Beispiel von SCO UNIX
von Andreas Nieden und Werner Geigle
Grafikprogrammierung mit C
Ein Microsoft PressNieweg-Buch von K. Jamsa
Cie Microsoft Programmer's Workbench
Arbeiten mit dem Microsoft CtC++ PDS 7.0
von Thomas Kregeloh
Cas Vieweg-Buch zu Borland++ 3.0
von Axel Kotulla
UNIX -
Systemarchitektur
und Programmierung
von Andreas Hieronymus
Objektorientiert mit Turbo C++
von Martin Aupperle
Cas Vieweg-Buch zu C++ Version 3
von Falko Bause und Wolfgang Tolle
COBOL -Cas Handbuch
fur den professionellen Programmierer
Auf der Basis des ANSI-Standards unter BerOcksichtigung der
IBM-Erweiterungen unter VS COBOL II
von E. H. Peter Roitzsch
UNIX-Cas Betriebssystem und die Shells
Eine grundlegende EinfOhrung
von Klaus Kannemann, M. SC.
C unter UNIX
Eine grundlegende EinfOhrung fOr Programmierer
von Klaus Kannemann, M. SC.
Vieweg -----------------
Andreas Hieronymus
UNIX -
Systemarch itektu r
und Programmierung
I I
Vleweg
Eingetragene Warenzeichen: UNIX (AT&T Bell Laboratories), NFS (Sun Microsystems), VAX
(Digital Equipment Corporation).
Das in diesem Buch enthaltene Programm-Material ist mit keiner Verpflichtung oder Garantie
irgendeiner Art verbunden. Der Autor und der Verlag iibernehmen infolgedessen keine
Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung iibernehmen, die auf
irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht.
Aile Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, BraunschweigIWiesbaden, 1993
Sof'tcover reprint of the hardcover 1s t edition 1993
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ist ohne Zustimmung des Verlags unzuliissig und strafbar. Das gilt
insbesondere fUr Vervielfiiltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen
und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Druck und buchbinderische Verarbeitung: Lengericher Handelsdruckerei, Lengerich
Gedruckt auf siiurefreiem Papier
ISBN-13: 978-3-528-05283-6 e-ISBN-13: 978-3-322-83994-7
DOl: 10.1007/978-3-322-83994-7
Fur meine Frau Beate
vii
Vorwort
UNIX - sicherlich eines der Schlagworter auf dem heutigen Computer
markt. UNIX hat sich zu einem der wichtigsten Betriebssysteme am
Markt entwickelt. Implementationen sind auf allen Rechnerplattformen
vom PC bis hin zu GroBrechnern verfugbar.
AIle namhaften Hersteller von Computern haben einen Schwerpunkt in
ihrem Produktspektrum bei Rechnern, auf denen UNIX-Systeme lau
fen.
Direkt verbunden mit dem kometenhaften Aufstieg von UNIX war die
Verbreitung der Programmiersprache C. Ein Grund dafiir war sicher
lich, daB der Quellcode von UNIX zu 97% in C geschrieben war, was
es Herstellern von Rechnern sehr einfach ermoglichte, UNIX auf ihre
eigene Hardware zu portieren. Sie muBten nur die rest lichen 3% Assem
blercode auf die Gegebenheiten ihrer Hardware anpassen und konnten
mit Hilfe eines C-Compilers UNIX Stuck fiir Stuck auf ihren Rechnern
zum Laufen bringen.
Diese allgemeine Verfugbarkeit fiihrte dazu, daB jeder Hersteller UNIX
fur seine Computer portierte, weiterentwickelte und um eigene Featu
res erweiterte. Damit konnte man nicht mehr von dem UNIX sprechen,
sondern es gab eine Vielzahl von UNIX-Varianten, die zum Teil so un
terschiedlich waren, daB fUr jedes System eine Hingere Einarbeitungszeit
notwendig war, obwohl es sich um ein UNIX-System handelte.
Heutzutage gibt es zwei UNIX-Varianten, die sich den groBten Teil des
UNIX-Marktes teilen. Diessind 4.3 BSD UNIX, das an der Universitat
von Berkeley in Kalifornien entwickelt wurde, und UNIX System V
Release 4, welches von der amerikanischen Telefongesellschaft AT&T
lizenziert wird. Beide Systeme bilden den Schwerpunkt in diesem Buch.
Da die Variantenvielfalt von UNIX noch nicht groB genug war, grunde
ten einige Unternehmen, unter der Fuhrung von DEC, IBM, HP, die
Open Software Foundation, kurz OSF, um nicht weiter von AT&T
abhangig zu sein. Die OSF hatte das Ziel, ein UNIX-System zu ent
wickeln, das allen vorhandenen Standards genugte, ein Windowsystem
(XII) und eine graphische Benutzerschnittstelle (MOTIF) enthielt, ver
teiltes Rechnen (DCE) und Verwalten (DME) ermoglichte. In der Zwi
schenzeit sind fast aIle namhaften UNIX-Anbieter Mitglied bei der OSF.
Die beiden Ausnahmen sind AT&T (naturlich!) und Sun Microsystems.
Dem Ganzen sah AT&T nicht tatenlos zu und grundete UNIX Inter
national, kurz UI, mit den gleichen Zielen wie die OSF.
viii
Dieses Buch solI dem Leser eine Hilfe sein, sich in dieser Vielfalt der ver
schiedenen UNIX-Systeme zurechtzufinden, indem es den inneren Auf
bau von UNIX darsteIlt. Mit diesem Wissen ist es dem Leser moglich,
die U nterschiede zwischen den einzelnen UNIX- Variant en zu erk ennen
und zu beurteilen.
Das Buch wendet sich an aIle, die UNIX-Systeme verwalten miissen, die
Programme unter UNIX entwickeln, oder einfach Interesse an den in
neren AbHiufen eines UNIX-Systems haben. Daneben solI dieses Buch
denjenigen Lesern eine Hilfe sein, die sich schnell einen Uberblick iiber
die Systeminterna von UNIX verschaffen wollen, ohne direkt den Quell
code eines Systems durchzuarbeiten.
Die Vorlage zu diesem Buch entstand aus Vorlesungen, die der Autor
am Lehrstuhl fUr Informatik II der Universitat Wiirzburg zur System
programmierung von UNIX hielt. Trotzdem ist dies kein Lehrbuch im
klassischen Sinn, dessen Aufbau direkt mit dem Aufbau einer Vorlesung
korreliert.
Das Buch gliedert sich in vier Kapitel. Das erste Kapitel befaBt sich mit
zwei zentralen Bereichen der Standardbibliothek eines UNIX-Systems:
den Funktionen zur Einj Ausgabe von Daten und der dynamischen Spei
cherverwaltung.
In den weiteren Kapiteln des Buchs werden die einzelnen Komponen
ten des Systemkerns von UNIX besprochen. 1m zweiten Kapitel des
Buchs wird nach einem kurzen Uberblick des Systemkerns das UNIX
Filesystem dargestellt. Hier werden Begriffe wie Inode, Verzeichnis,
Link und Montierpunkt eingefUhrt. Die Funktionen des Filesystems,
der Aufbau und die Arbeitsweise des buffer cache und die Abarbeitung
der Systemaufrufe des Filesystems bilden den Rahmen fUr dieses Kapi
tel. Den AbschluB dieses Kapitels bildet ein Abschnitt iiber die Pflege
und Wartung von Filesystemen. An Hand des Programms fsck werden
Inkonsistenzen eines Filesystems und Moglichkeiten zu deren Behebung
gezeigt.
Das dritte Kapitel des Buchs beschreibt das ProzeBsystem von UNIX.
Die Laufzeitstruktur des Systemkerns, die ProzeBmodi und die Sy
stemaktivitaten bilden den Einstieg in das ProzeBsystem. Hier wer
den die Begriffe ProzeBkontext, Scheduling, Kontextwechsel eingefUhrt.
Wichtige Datenstrukturen zur Verwaltung von Prozessen, wie die Proc
Struktur oder die User-Struktur und deren Aufgaben werden erlautert.
Die Berechnung der ProzeBprioritaten und die Festlegung der Ablauf
reihenfolge von Prozessen sind ein weiterer Schwerpunkt in diesem Ka-
IX
pitel. Den AbschluB des Kapitels bildet die ErkUirung der Signalverar
beitung im Kern des Systems.
Das letzte Kapitel des Buchs beschreibt das virtuelle Speichermanage
ment von UNIX-Systemen. Hier werden die Konzepte des Swapping
und Paging durchleuchtet. Die Ubersetzung virtueller Adressen, der
Aufbau und die Aufgaben der Seitentabellen werden genau erHiutert.
Daneben wird der Lebenszyklus eines Prozesses, von der Erzeugung
uber das AusfUhren eines Programms bis hin zur Terminierung, aus
der Sicht des Speichermanagements besprochen.
Ein Problem bei der Erstellung dieses Buchs mochte der Autor dem
Leser nicht vorenthalten. Der EinfluB der englischen Sprache ist wohl
in keinem anderen Bereich der Wissenschaft so groB wie in der In
formatik. Dies fuhrt dazu, daB fur viele Fachbegriffe die englischen
Orginalbezeichnungen verwendet werden, auch weil es keine adaquaten
Ubersetzungen in der deutschen Sprache gibt. Der Autor hat zwar,
da dies ein Buch in deutscher Sprache ist, versucht, in den Fallen, in
denen es moglich war, die deutschen Begriffe zu verwenden (wie z.B.
Systemaufruf statt Systemcall), jedoch laBt sich dies nicht konsequent
durchfUhren. Aus diesem Grund moge der Leser bitte die noch vorhan
denen englischen Bezeichnungen entschuldigen.
Dieses Buch ware nicht vollstandig ohne einige Worte des Dankes.
Zuerst gilt der Dank meiner Frau, die mich in der Entstehungszeit
dieses Buchs in Ruhe hat arbeiten lassen und auf viele gemeinsame
Stunden verzichten muBte. Bei Herrn Prof. Dr. Jurgen Albert mochte
ich mich bedanken fUr die Gelegenheiten, die Vorlesungen halten zu
durfen, die diesem Buch zugrunde liegen. Ein weiterer Dank gilt Herrn
Prof. Dr. Jurgen Wolff von Gudenberg, der mich ermutigt hat, dieses
Buch zu schreiben.
Herzlich bedanken mochte ich mich auch bei Frau Angela Eyring, die
ein Skript zu meinen Vorlesungen angefertigt hat, und bei Herrn Notker
Gerlich fur das Erstellen von Beispielprogrammen. Mein besonderer
Dank gilt auch Herrn Jochen Schoof, der das Manuskript Korrektur
gelesen hat.
Allen Kollegen, die indirekt zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen
haben, ein herzliches Dankeschon.
Andreas Hieronymus, Juni 1993
Inhaltsverzeichnis
1 Standardbibliothek 1
1.1 Aufbau des UNIX-Manuals 2
1.2 Ein- und Ausgabe von Daten . 3
1.2.1 Definition von Streams. 6
1.2.2 Aufbau der I/O-Routinen 7
1.2.3 Die Makros putc - getc . 9
1.2.4 Weitere Funktionen fUr Streams .. 11
1.3 Dynamische Speicherverwaltung ..... 13
1.3.1 Aufbau einer ausfUhrbaren Datei 13
1.3.2 brk und sbrk . . . . . . . . . . . 15
1.3.3 malloc und free . . . . . . . . . . 16
1.3.4 Die Prozeduren der malloc-Familie . 19
2 Das UNIX-Filesystem 21
2.1 Abstraktionsstufen des Filesystems 23
2.2 Interne Darstellung von Files· 26
2.2.1 Index Nodes (Inodes) 26
2.2.2 Datei +-+ Inode. . . . 28
2.2.3 Verzeichnisse ..... 30
2.2.3.1 Verzeichnisse unter System V UNIX 30
2.2.3.2 Verzeichnisse unter 4.3 BSD UNIX . 32
2.2.3.3 Aufbau eines Verzeichnisbaums . 34
2.2.4 Links 36
2.2.5 Layout eines Filesystems. . . . . . . 39
2.2.6 Yom Dateideskriptor bis zum Inode 41
2.2.7 Algorithmen des Filesystems .... 42
2.2.7.1 Die Funktionen iput und iget . 43
2.2.7.2 Die Funktion bmap ...... . 48
2.2.7.3 Yom Filenamen zum Inode - namei 51
2.2.7.4 ialloc und ifree 51
2.2.7.5 alloc und free ............ . 59
XlI Inhaltsverzeichnis
2.2.8 Sonstige Dateitypen 62
2.3 Der buffer cache ...... 63
2.3.1 Aufbau eines Puffers 65
2.3.2 Organisation des buffer cache 66
2.3.3 Auffinden eines Puffers. . . . 68
2.3.4 Lesen und Schreiben von Plattenbl6cken . 71
2.3.5 Vorteile und Nachteile des buffer cache. 76
2.4 Systemaufrufe fUr das Filesystem . 77
2.4.1 Offnen einer Datei - open . 78
2.4.2 Anlegen einer Datei - creat 81
2.4.3 Lesen einer Datei - read . . 82
2.4.4 Schreiben in eine Datei - write 85
2.4.5 SchlieBen einer Datei - close. . 86
2.4.6 Die Systemaufrufe stat und fstat 86
2.4.7 Die Systemaufrufe mknod und pipe. 88
2.4.8 dup - Verdopplung eines Filedeskriptors 94
2.4.9 Die Systemaufrufe link und unlink . . . 97
2.4.10 Weitere Systemaufrufe fUr das Filesystem 99
2.5 Filesystem Wartung .. . . . . . . . . . . . . . . 100
3 Das Prozefisystem 107
3.1 EinfUhrung ............. . 107
3.1.1 Der Kontext eines Prozesses . 109
3.2 Kerndienste ............. . 110
3.2.1 Die Laufzeitstruktur des Kerns 110
3.2.2 Systemaktivitaten ...... . 112
3.2.3 Zutritt zum Kern . . . . . . . . 113
3.2.4 Austritt eines Prozesses aus dem Kern 114
3.2.5 Systemaufrufe ... . 115
3.2.6 Traps ....... . 117
3.2.7 Hardware Interrupts 118
3.2.8 Software Interrupts . 119
3.2.9 Clock Interrupts .. 120
3.2.9.1 Hardclock. 120
3.2.9.2 Softclock 121
3.2.10 Timing ...... . 122
3.2.11 Benutzer- und Gruppennummerj S-Bits 123
3.2.12 Sonstige Kerndienste . 127
3.3 Der Aufbau eines Prozesses . . . . . . . . . . . 128
