Aggiunte spiegazioni sull'esempio, e riscritto lo stesso per usare anche la

[gapil.git] / intro.tex

\chapter{L'architettura del sistema}
\label{cha:intro_unix}

In questo primo capitolo sarà fatta un'introduzione ai concetti generali su
cui è basato un sistema operativo di tipo Unix come GNU/Linux, in questo modo
potremo fornire una base di comprensione mirata a sottolineare le peculiarità
del sistema che sono più rilevanti per quello che riguarda la programmazione.

Dopo un'introduzione sulle caratteristiche principali di un sistema di tipo
Unix passeremo ad illustrare alcuni dei concetti base dell'architettura di
GNU/Linux (che sono comunque comuni a tutti i sistemi \textit{unix-like}) ed
introdurremo alcuni degli standard principali a cui viene fatto riferimento.


\section{Una panoramica}
\label{sec:intro_unix_struct}

In questa prima sezione faremo una breve panoramica sull'architettura del
sistema.  Chi avesse già una conoscenza di questa materia può tranquillamente
saltare questa sezione.


\subsection{Concetti base}
\label{sec:intro_base_concept}

Il concetto base di un sistema unix-like è quello di un nucleo del sistema (il
cosiddetto \textit{kernel}, nel nostro caso Linux) a cui si demanda la
gestione delle risorse essenziali (la CPU, la memoria, le periferiche) mentre
tutto il resto, quindi anche la parte che prevede l'interazione con l'utente,
deve venire realizzato tramite programmi eseguiti dal kernel e che accedano
alle risorse hardware tramite delle richieste a quest'ultimo.

Fin dall'inizio uno Unix si presenta come un sistema operativo
\textit{multitasking}, cioè in grado di eseguire contemporaneamente più
programmi, e multiutente, in cui è possibile che più utenti siano connessi ad
una macchina eseguendo più programmi ``in contemporanea'' (in realtà, almeno
per macchine a processore singolo, i programmi vengono eseguiti singolarmente
a rotazione).

% Questa e` una distinzione essenziale da capire,
%specie nei confronti dei sistemi operativi successivi, nati per i personal
%computer (e quindi per un uso personale), sui quali l'hardware (allora
%limitato) non consentiva la realizzazione di un sistema evoluto come uno unix.

I kernel Unix più recenti, come Linux, sono realizzati sfruttando alcune
caratteristiche dei processori moderni come la gestione hardware della memoria
e la modalità protetta. In sostanza con i processori moderni si può
disabilitare temporaneamente l'uso di certe istruzioni e l'accesso a certe
zone di memoria fisica.  Quello che succede è che il kernel è il solo
programma ad essere eseguito in modalità privilegiata, con il completo accesso
all'hardware, mentre i programmi normali vengono eseguiti in modalità protetta
(e non possono accedere direttamente alle zone di memoria riservate o alle
porte di input/output).

Una parte del kernel, lo \textit{scheduler}\index{scheduler}, si occupa di
stabilire, ad intervalli fissi e sulla base di un opportuno calcolo delle
priorità, quale ``processo'' deve essere posto in esecuzione (il cosiddetto
\textit{preemptive scheduling}\index{preemptive scheduling}). Questo verrà
comunque eseguito in modalità protetta; quando necessario il processo potrà
accedere alle risorse hardware soltanto attraverso delle opportune chiamate al
sistema che restituiranno il controllo al kernel.

La memoria viene sempre gestita dal kernel attraverso il meccanismo della
\textsl{memoria virtuale}\index{memoria virtuale}, che consente di assegnare a
ciascun processo uno spazio di indirizzi ``virtuale'' (vedi
\secref{sec:proc_memory}) che il kernel stesso, con l'ausilio della unità di
gestione della memoria, si incaricherà di rimappare automaticamente sulla
memoria disponibile, salvando su disco quando necessario (nella cosiddetta
area di \textit{swap}) le pagine di memoria in eccedenza.

Le periferiche infine vengono viste in genere attraverso un'interfaccia
astratta che permette di trattarle come fossero file, secondo il concetto per
cui \textit{everything is a file}, su cui torneremo in dettaglio in
\capref{cha:file_intro}, (questo non è vero per le interfacce di rete, che
hanno un'interfaccia diversa, ma resta valido il concetto generale che tutto
il lavoro di accesso e gestione a basso livello è effettuato dal kernel).


\subsection{User space e kernel space}
\label{sec:intro_user_kernel_space}

Uno dei concetti fondamentali su cui si basa l'architettura dei sistemi Unix è
quello della distinzione fra il cosiddetto \textit{user space}, che
contraddistingue l'ambiente in cui vengono eseguiti i programmi, e il
\textit{kernel space}, che è l'ambiente in cui viene eseguito il kernel. Ogni
programma vede sé stesso come se avesse la piena disponibilità della CPU e
della memoria ed è, salvo i meccanismi di comunicazione previsti
dall'architettura, completamente ignaro del fatto che altri programmi possono
essere messi in esecuzione dal kernel.

Per questa separazione non è possibile ad un singolo programma disturbare
l'azione di un altro programma o del sistema e questo è il principale motivo
della stabilità di un sistema unix-like nei confronti di altri sistemi in cui
i processi non hanno di questi limiti, o che vengono per vari motivi eseguiti
al livello del kernel.

Pertanto deve essere chiaro a chi programma in Unix che l'accesso diretto
all'hardware non può avvenire se non all'interno del kernel; al di fuori dal
kernel il programmatore deve usare le opportune interfacce che quest'ultimo
fornisce allo user space. 


\subsection{Il kernel e il sistema}
\label{sec:intro_kern_and_sys}

Per capire meglio la distinzione fra kernel space e user space si può prendere
in esame la procedura di avvio di un sistema unix-like; all'avvio il BIOS (o
in generale il software di avvio posto nelle EPROM) eseguirà la procedura di
avvio del sistema (il cosiddetto \textit{boot}), incaricandosi di caricare il
kernel in memoria e di farne partire l'esecuzione; quest'ultimo, dopo aver
inizializzato le periferiche, farà partire il primo processo, \cmd{init}, che
è quello che a sua volta farà partire tutti i processi successivi. Fra questi
ci sarà pure quello che si occupa di dialogare con la tastiera e lo schermo
della console, e quello che mette a disposizione dell'utente che si vuole
collegare, un terminale e la \textit{shell} da cui inviare i comandi.

E' da rimarcare come tutto ciò, che usualmente viene visto come parte del
sistema, non abbia in realtà niente a che fare con il kernel, ma sia
effettuato da opportuni programmi che vengono eseguiti, allo stesso modo di un
qualunque programma di scrittura o di disegno, in user space.

Questo significa, ad esempio, che il sistema di per sé non dispone di
primitive per tutta una serie di operazioni (come la copia di un file) che
altri sistemi (come Windows) hanno invece al loro interno. Pertanto buona
parte delle operazioni di normale amministrazione di un sistema, come quella
in esempio, sono implementate come normali programmi.

%Una delle caratteristiche base di unix \`e perci\`o che \`e possibile
%realizzare un sistema di permessi e controlli che evitano che i programmi
%eseguano accessi non autorizzati. 

Per questo motivo quando ci si riferisce al sistema nella sua interezza è
corretto parlare di un sistema GNU/Linux: da solo il kernel è assolutamente
inutile; quello che costruisce un sistema operativo utilizzabile è la presenza
di tutta una serie di librerie e programmi di utilità (che di norma sono
quelli realizzati dal progetto GNU della Free Software Foundation) che
permettono di eseguire le normali operazioni che ci si aspetta da un sistema
operativo.


\subsection{Chiamate al sistema e librerie di funzioni}
\label{sec:intro_syscall}

Come accennato le interfacce con cui i programmi possono accedere all'hardware
vanno sotto il nome di chiamate al sistema (le cosiddette \textit{system
  call}), si tratta di un insieme di funzioni che un programma può chiamare,
per le quali viene generata un'interruzione del processo passando il controllo
dal programma al kernel. Sarà poi quest'ultimo che (oltre a compiere una serie
di operazioni interne come la gestione del multitasking e l'allocazione della
memoria) eseguirà la funzione richiesta in \textit{kernel space} restituendo i
risultati al chiamante.

Ogni versione di Unix ha storicamente sempre avuto un certo numero di queste
chiamate, che sono riportate nella seconda sezione del \textsl{Manuale di
  programmazione di Unix} (quella cui si accede con il comando \cmd{man 2
  <nome>}) e Linux non fa eccezione. Queste sono poi state codificate da vari
standard, che esamineremo brevemente in \secref{sec:intro_standard}. Uno
schema elementare della struttura del sistema è riportato in
\figref{fig:intro_sys_struct}.

\begin{figure}[htb]
  \centering
  \includegraphics[width=10cm]{img/struct_sys}
  \caption{Schema di massima della struttura di interazione fra processi,
    kernel e dispositivi in Linux.}
  \label{fig:intro_sys_struct}
\end{figure}

Normalmente ciascuna di queste chiamate al sistema viene rimappata in
opportune funzioni con lo stesso nome definite dentro la Libreria Standard del
C, che, oltre alle interfacce alle system call, contiene anche tutta la serie
delle ulteriori funzioni definite dai vari standard, che sono comunemente
usate nella programmazione.

Questo è importante da capire perché programmare in Linux significa anzitutto
essere in grado di usare le varie interfacce contenute nella Libreria Standard
del C, in quanto né il kernel, né il linguaggio C, implementano direttamente
operazioni comuni come l'allocazione dinamica della memoria, l'input/output
bufferizzato o la manipolazione delle stringhe, presenti in qualunque
programma.

Quanto appena illustrato mette in evidenza il fatto che nella stragrande
maggioranza dei casi,\footnote{esistono implementazioni diverse delle librerie
  del C, come le \textit{libc5} o le \textit{uclib}, che non derivano dal
  progetto GNU, ma oggi sono, tranne casi particolari, completamente
  soppiantate dalle \acr{glibc}.} si dovrebbe usare il nome GNU/Linux
(piuttosto che soltanto Linux) in quanto una parte essenziale del sistema
(senza la quale niente funzionerebbe) è la GNU Standard C Library (in breve
\acr{glibc}), ovvero la libreria realizzata dalla Free Software Foundation
nella quale sono state implementate tutte le funzioni essenziali definite
negli standard POSIX e ANSI C, utilizzabili da qualunque programma.

Le funzioni di questa libreria sono quelle riportate dalla terza sezione del
\textsl{Manuale di Programmazione di Unix }(cioè accessibili con il comando
\cmd{man 3 <nome>}) e sono costruite sulla base delle chiamate al sistema del
kernel; è importante avere presente questa distinzione, fondamentale dal punto
di vista dell'implementazione, anche se poi, nella realizzazione di normali
programmi, non si hanno differenze pratiche fra l'uso di una funzione di
libreria e quello di una chiamata al sistema.


\subsection{Un sistema multiutente}
\label{sec:intro_multiuser}

Linux, come gli altri kernel Unix, nasce fin dall'inizio come sistema
multiutente, cioè in grado di fare lavorare più persone in contemporanea. Per
questo esistono una serie di meccanismi di sicurezza, che non sono previsti in
sistemi operativi monoutente, e che occorre tenere presente.

Il concetto base è quello di utente (\textit{user}) del sistema, le cui
capacità rispetto a quello che può fare sono sottoposte a ben precisi limiti.
Sono così previsti una serie di meccanismi per identificare i singoli utenti
ed una serie di permessi e protezioni per impedire che utenti diversi possano
danneggiarsi a vicenda o danneggiare il sistema.

Ogni utente è identificato da un nome (l'\textit{username}), che è quello che
viene richiesto all'ingresso nel sistema dalla procedura di \textit{login}
(descritta in dettaglio in \secref{sec:sess_login}).  Questa procedura si
incarica di verificare l'identità dell'utente, in genere attraverso la
richiesta di una parola d'ordine (la \textit{password}), anche se sono
possibili meccanismi diversi.\footnote{Ad esempio usando la libreria PAM
  (\textit{Pluggable Autentication Methods}) è possibile astrarre
  completamente dai meccanismi di autenticazione e sostituire ad esempio l'uso
  delle password con meccanismi di identificazione biometrica.}

Eseguita la procedura di riconoscimento in genere il sistema manda in
esecuzione un programma di interfaccia (che può essere la \textit{shell} su
terminale o un'interfaccia grafica) che mette a disposizione dell'utente un
meccanismo con cui questo può impartire comandi o eseguire altri programmi.

Ogni utente appartiene anche ad almeno un gruppo (il cosiddetto
\textit{default group}), ma può essere associato ad altri gruppi (i
\textit{supplementary group}), questo permette di gestire i permessi di
accesso ai file e quindi anche alle periferiche, in maniera più flessibile,
definendo gruppi di lavoro, di accesso a determinate risorse, etc.

L'utente e il gruppo sono identificati da due numeri (la cui corrispondenza ad
un nome espresso in caratteri è inserita nei due file \file{/etc/passwd} e
\file{/etc/groups}). Questi numeri sono l'\textit{user identifier}, detto in
breve \textsl{userid}, ed indicato dall'acronimo \acr{uid}, e il \textit{group
  identifier}, detto in breve \textsl{groupid}, ed identificato dall'acronimo
\acr{gid}, e sono quelli che vengono usati dal kernel per identificare
l'utente.
 
In questo modo il sistema è in grado di tenere traccia per ogni processo
dell'utente a cui appartiene ed impedire ad altri utenti di interferire con
esso. Inoltre con questo sistema viene anche garantita una forma base di
sicurezza interna in quanto anche l'accesso ai file (vedi
\secref{sec:file_access_control}) è regolato da questo meccanismo di
identificazione.

Infine in ogni Unix è presente un utente speciale privilegiato, il cosiddetto
\textit{superuser}, il cui username è di norma \textit{root}, ed il cui
\acr{uid} è zero. Esso identifica l'amministratore del sistema, che deve
essere in grado di fare qualunque operazione; per l'utente \textit{root}
infatti i meccanismi di controllo descritti in precedenza sono
disattivati.\footnote{i controlli infatti vengono sempre eseguiti da un codice
  del tipo \code{if (uid) \{ ... \}}}


\section{Gli standard}
\label{sec:intro_standard}

In questa sezione faremo una breve panoramica relativa ai vari standard che
nel tempo sono stati formalizzati da enti, associazioni, consorzi e
organizzazioni varie al riguardo del sistema o alle caratteristiche che si
sono stabilite come standard di fatto in quanto facenti parte di alcune
implementazioni molto diffuse come BSD o SVr4.

Ovviamente prenderemo in considerazione solo gli standard riguardanti
interfacce di programmazione e le altre caratteristiche di un sistema
unix-like (alcuni standardizzano pure i comandi base del sistema e la shell)
ed in particolare ci concentreremo sul come ed in che modo essi sono
supportati sia per quanto riguarda il kernel che le librerie del C (con una
particolare attenzione alle \acr{glibc}).


\subsection{Lo standard ANSI C}
\label{sec:intro_ansiC}

Lo standard ANSI C è stato definito nel 1989 dall'\textit{American National
  Standard Institute}, come standard del linguaggio C ed è stato
successivamente adottato dalla \textit{International Standard Organisation}
come standard internazionale con la sigla ISO/IEC 9899:1990, e va anche sotto
il nome di standard ISO C.

Scopo dello standard è quello di garantire la portabilità dei programmi C fra
sistemi operativi diversi, ma oltre alla sintassi ed alla semantica del
linguaggio C (operatori, parole chiave, tipi di dati) lo standard prevede
anche una libreria di funzioni che devono poter essere implementate su
qualunque sistema operativo.

Per questo motivo, anche se lo standard non ha alcun riferimento ad un sistema
di tipo Unix, GNU/Linux (per essere precisi le \acr{glibc}), come molti Unix
moderni, provvede la compatibilità con questo standard, fornendo le funzioni
di libreria da esso previste. Queste sono dichiarate in una serie di
\textit{header file}\footnote{i file di dichiarazione di variabili, tipi e
  funzioni, usati normalmente da un compilatore C. Per poter accedere alle
  funzioni occorre includere con la direttiva \code{\#include} questi file nei
  propri programmi; per ciascuna funzione che tratteremo in seguito
  indicheremo anche gli \textit{header file} necessari ad usarla.}  (anch'essi
provvisti dalla \acr{glibc}), In \tabref{tab:intro_posix_header} si sono
riportati i principali \textit{header file} definiti nello standard POSIX,
insieme a quelli definiti negli altri standard descritti nelle sezioni
successive.

\begin{table}[htb]
  \footnotesize
  \centering
  \begin{tabular}[c]{|l|c|c|l|}
    \hline
    \multirow{2}{*}{\textbf{Header}}&
    \multicolumn{2}{|c|}{\textbf{Standard}}&
    \multirow{2}{*}{\textbf{Contenuto}} \\
    \cline{2-3}
    & ANSI C& POSIX& \\
    \hline
    \hline
    \file{assert.h}&$\bullet$&$\bullet$& Verifica le asserzioni fatte in un
                                     programma.\\ 
    \file{errno.h} &$\bullet$&$\bullet$& Errori di sistema.\\
    \file{fcntl.h} &$\bullet$&$\bullet$& Controllo sulle opzioni dei file.\\
    \file{limits.h}&$\bullet$&$\bullet$& Limiti e parametri del sistema.\\
    \file{} &$\bullet$&$\bullet$& .\\
    \file{} &$\bullet$&$\bullet$& .\\
    \file{} &$\bullet$&$\bullet$& .\\
    \file{} &$\bullet$&$\bullet$& .\\
    \file{} &$\bullet$&$\bullet$& .\\
    \file{stdio.h} &$\bullet$&$\bullet$& I/O bufferizzato in standard ANSI C.\\
    \file{stdlib.h}&$\bullet$&$\bullet$& definizioni della libreria standard.\\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Elenco dei vari header file definiti dallo standard POSIX.}
  \label{tab:intro_posix_header}
\end{table}


In realtà \acr{glibc} ed i relativi header file definiscono un insieme di
funzionalità in cui sono incluse come sottoinsieme anche quelle previste dallo
standard ANSI C. È possibile ottenere una conformità stretta allo standard
(scartando le funzionalità addizionali) usando il \cmd{gcc} con l'opzione
\cmd{-ansi}. Questa opzione istruisce il compilatore a definire nei vari
header file soltanto le funzionalità previste dallo standard ANSI C e a non
usare le varie estensioni al linguaggio e al preprocessore da esso supportate.


\subsection{I tipi di dati primitivi}
\label{sec:intro_data_types}

Uno dei problemi di portabilità del codice più comune è quello dei tipi di
dati utilizzati nei programmi, che spesso variano da sistema a sistema, o
anche da una architettura ad un altra (ad esempio passando da macchine con
processori 32 bit a 64).

Storicamente alcuni tipi di dati definiti dallo standard ANSI C sono sempre
stati associati ad alcune variabili nei sistemi Unix, ad esempio la posizione
corrente all'interno di un file è sempre stato associato ad un intero a 32
bit, mentre il numero di dispositivo è sempre stato associato ad un intero a
16 bit. Tutto questo ovviamente costituisce un incubo per la portabilità tutte
le volte che, con l'evolversi delle piattaforme hardware, alcuni di questi
tipi si sono rivelati inadeguati, e se ne è dovuto cambiare la dimensione.

\begin{table}[htb]
  \footnotesize
  \centering
  \begin{tabular}[c]{|l|c|c|l|}
    \hline
    \textbf{Tipo} & \textbf{Contenuto} \\
    \hline
    \hline
    \type{caddr\_t} & core address.\\
    \type{clock\_t} & contatore del tempo di sistema.\\
    \type{dev\_t}   & Numero di dispositivo.\\
    \type{gid\_t}   & Identificatore di un gruppo.\\
    \type{ino\_t}   & Numero di \textit{inode}.\\
    \type{key\_t}   & Chiave per il System V IPC.\\
    \type{loff\_t}  & Posizione corrente in un file.\\
    \type{mode\_t}  & Attributi di un file.\\
    \type{nlink\_t} & Contatore dei link su un file.\\
    \type{off\_t}   & Posizione corrente in un file.\\
    \type{pid\_t}   & Identificatore di un processo.\\
    \type{rlim\_t}  & Limite sulle risorse.\\
    \type{sigset\_t}& Insieme di segnali.\\
    \type{ssize\_t} & Dimensione di un oggetto.\\
    \type{ssize\_t} & Dimensione in numero  byte ritornata dalle funzioni.\\
    \type{ptrdiff\_t}& Differenza fra due puntatori.\\
    \type{time\_t}  & Numero di secondi (in tempo di calendario).\\
    \type{uid\_t}   & Identificatore di un utente.\\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Elenco dei tipi primitivi, definiti in \file{sys/types.h}.}
  \label{tab:intro_primitive_types}
\end{table}

Per questo motivo tutte le funzioni di libreria di solito non fanno
riferimento ai tipi standard del linguaggio C, ma ad una serie di \textsl{tipi
  primitivi}, riportati in \tabref{tab:intro_primitive_types}, caratteristici
di ogni sistema, definiti nell'header file \file{sys/types.h}, che associano i
tipi utilizzati dalle funzioni di sistema ai tipi elementari supportati dal
compilatore C.



\subsection{Lo standard IEEE -- POSIX}
\label{sec:intro_posix}

Uno standard più attinente al sistema nel suo complesso (e che concerne sia il
kernel che le librerie) è lo standard POSIX. Esso prende origine dallo
standard ANSI C, che contiene come sottoinsieme, prevedendo ulteriori capacità
per le funzioni in esso definite, ed aggiungendone di nuove.

In realtà POSIX è una famiglia di standard diversi, il cui nome, suggerito da
Richard Stallman, sta per \textit{Portable Operating System Interface}, ma la
X finale denuncia la sua stretta relazione con i sistemi Unix. Esso nasce dal
lavoro dell'IEEE (\textit{Institute of Electrical and Electronics Engeneers})
che ne produsse una prima versione, nota come IEEE 1003.1-1988, mirante a
standardizzare l'interfaccia con il sistema operativo.

Ma gli standard POSIX non si limitano alla standardizzazione delle funzioni di
libreria, e in seguito sono stati prodotti anche altri standard per la shell e
i comandi di sistema (1003.2), per le estensioni realtime e per i thread
(1003.1d e 1003.1c) e vari altri.  In \tabref{tab:intro_posix_std} è riportata
una classificazione sommaria dei principali documenti prodotti, e di come sono
identificati fra IEEE ed ISO; si tenga conto inoltre che molto spesso si usa
l'estensione IEEE anche come aggiunta al nome POSIX (ad esempio si può parlare
di POSIX.4 come di POSIX.1b).

Si tenga presente però che nuove specifiche e proposte di standardizzazione si
aggiungono continuamente, mentre le versioni precedenti vengono riviste;
talvolta poi i riferimenti cambiamo nome, per cui anche solo seguire le
denominazioni usate diventa particolarmente faticoso; una pagina dove si
possono recuperare varie (e di norma piuttosto intricate) informazioni è:
\href{http://www.pasc.org/standing/sd11.html}
{http://www.pasc.org/standing/sd11.html}.


\begin{table}[htb]
  \footnotesize
  \centering
  \begin{tabular}[c]{|l|l|l|l|}
    \hline
    \textbf{Standard} & \textbf{IEEE} & \textbf{ISO} & \textbf{Contenuto} \\
    \hline
    \hline
    POSIX.1 & 1003.1 & 9945-1& Interfacce di base                           \\
    POSIX.1a& 1003.1a& 9945-1& Estensioni a POSIX.1                         \\
    POSIX.2 & 1003.2 & 9945-2& Comandi                                      \\
    POSIX.3 & 2003   &TR13210& Metodi di test                               \\
    POSIX.4 & 1003.1b &  --- & Estensioni real-time                         \\
    POSIX.4a& 1003.1c &  --- & Threads                                      \\
    POSIX.4b& 1003.1d &9945-1& Ulteriori estensioni real-time               \\
    POSIX.5 & 1003.5  & 14519& Interfaccia per il linguaggio ADA            \\
    POSIX.6 & 1003.2c,1e& 9945-2& Sicurezza                                 \\
    POSIX.8 & 1003.1f& 9945-1& Accesso ai file via rete                     \\
    POSIX.9 & 1003.9  &  --- & Intercaccia per il Fortran-77                \\
    POSIX.12& 1003.1g& 9945-1& Sockets                                      \\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Elenco dei vari standard POSIX e relative denominazioni.}
  \label{tab:intro_posix_std}
\end{table}

Benché l'insieme degli standard POSIX siano basati sui sistemi Unix essi
definiscono comunque un'interfaccia di programmazione generica e non fanno
riferimento ad una implementazione specifica (ad esempio esiste
un'implementazione di POSIX.1 anche sotto Windows NT).  Lo standard principale
resta comunque POSIX.1, che continua ad evolversi; la versione più nota, cui
gran parte delle implementazioni fanno riferimento, e che costituisce una base
per molti altri tentativi di standardizzazione, è stata rilasciata anche come
standard internazionale con la sigla ISO/IEC 9945-1:1996. 

Linux e le \acr{glibc} implementano tutte le funzioni definite nello standard
POSIX.1, queste ultime forniscono in più alcune ulteriori capacità (per
funzioni di \textit{pattern matching} e per la manipolazione delle
\textit{regular expression}), che vengono usate dalla shell e dai comandi di
sistema e che sono definite nello standard POSIX.2.

Nelle versioni più recenti del kernel e delle librerie sono inoltre supportate
ulteriori funzionalità aggiunte dallo standard POSIX.1c per quanto riguarda i
\textit{thread} (vedi \capref{cha:threads}), e dallo standard POSIX.1b per
quanto riguarda i segnali e lo scheduling real-time
(\secref{sec:sig_real_time} e \secref{sec:proc_real_time}), la misura del
tempo, i meccanismi di intercomunicazione (\secref{sec:ipc_posix}) e l'I/O
asincrono (\secref{sec:file_asyncronous_io}).



\subsection{Lo standard X/Open -- XPG3}
\label{sec:intro_xopen}

Il consorzio X/Open nacque nel 1984 come consorzio di venditori di sistemi
Unix per giungere ad un'armonizzazione delle varie implementazioni.  Per far
questo iniziò a pubblicare una serie di documentazioni e specifiche sotto il
nome di \textit{X/Open Portability Guide} (a cui di norma si fa riferimento
con l'abbreviazione XPGn).

Nel 1989 produsse una terza versione di questa guida particolarmente
voluminosa (la \textit{X/Open Portability Guide, Issue 3}), contenente
un'ulteriore standardizzazione dell'interfaccia di sistema di Unix, che venne
presa come riferimento da vari produttori.

Questo standard, detto anche XPG3 dal nome della suddetta guida, è sempre
basato sullo standard POSIX.1, ma prevede una serie di funzionalità aggiuntive
fra cui le specifiche delle API (\textit{Application Programmable Interface})
per l'interfaccia grafica (X11).

Nel 1992 lo standard venne rivisto con una nuova versione della guida, la
Issue 4 (da cui la sigla XPG4) che aggiungeva l'interfaccia XTI (\textit{X
  Transport Interface}) mirante a soppiantare (senza molto successo)
l'interfaccia dei socket derivata da BSD. Una seconda versione della guida fu
rilasciata nel 1994, questa è nota con il nome di Spec 1170 (dal numero delle
interfacce, header e comandi definiti). 

Nel 1993 il marchio Unix passò di proprietà dalla Novell (che a sua volta lo
aveva comprato dalla AT\&T) al consorzio X/Open che iniziò a pubblicare le sue
specifiche sotto il nome di \textit{Single UNIX Specification}, l'ultima
versione di Spec 1170 diventò così la prima versione delle \textit{Single UNIX
  Specification}, SUSv1, più comunemente nota come \textit{Unix 95}.


\subsection{Gli standard Unix  -- Open Group}
\label{sec:intro_opengroup}

Nel 1996 la fusione del consorzio X/Open con la Open Software Foundation (nata
da un gruppo di aziende concorrenti rispetto ai fondatori di X/Open) portò
alla costituzione dell'Open Group, un consorzio internazionale che raccoglie
produttori, utenti industriali, entità accademiche e governative.

Attualmente il consorzio è detentore del marchio depositato Unix, e prosegue
il lavoro di standardizzazione delle varie implementazioni, rilasciando
periodicamente nuove specifiche e strumenti per la verifica della conformità
alle stesse.

Nel 1997 fu annunciata la seconda versione delle \textit{Single UNIX
  Specification}, nota con la sigla SUSv2, in queste versione le interfacce
specificate salgono a 1434 (e 3030 se si considerano le stazioni di lavoro
grafiche, per le quali sono inserite pure le interfacce usate da CDE che
richiede sia X11 che Motif). La conformità a questa versione permette l'uso
del nome \textit{Unix 98}, usato spesso anche per riferirsi allo standard.


\subsection{Lo ``standard'' BSD}
\label{sec:intro_bsd}

Lo sviluppo di BSD iniziò quando la fine della collaborazione fra l'Università
di Berkley e la AT\&T generò una delle prime e più importanti fratture del
mondo Unix.  L'Università di Berkley proseguì nello sviluppo della base di
codice di cui disponeva, e che presentava parecchie migliorie rispetto alle
allora versioni disponibili, fino ad arrivare al rilascio di una versione
completa di Unix, chiamata appunto BSD, del tutto indipendente dal codice
della AT\&T.

Benché BSD non sia uno standard formalizzato, l'implementazione di Unix
dell'Università di Berkley, ha provveduto nel tempo una serie di estensioni e
API di grande rilievo, come il link simbolici, la funzione \code{select}, i
socket.

Queste estensioni sono state via via aggiunte al sistema nelle varie versioni
del sistema (BSD 4.2, BSD 4.3 e BSD 4.4) come pure in alcuni derivati
commerciali come SunOS. Il kernel e le \acr{glibc} provvedono tutte queste
estensioni che sono state in gran parte incorporate negli standard successivi.


\subsection{Lo standard System V}
\label{sec:intro_sysv}

Come noto Unix nasce nei laboratori della AT\&T, che ne registrò il nome come
marchio depositato, sviluppandone una serie di versioni diverse; nel 1983 la
versione supportata ufficialmente venne rilasciata al pubblico con il nome di
Unix System V. Negli anni successivi l'AT\&T proseguì lo sviluppo rilasciando
varie versioni con aggiunte e integrazioni; nel 1989 un accordo fra vari
venditori (AT\&T, Sun, HP, e altro) portò ad una versione che provvedeva
un'unificazione delle interfacce comprendente Xenix e BSD, la System V release
4.

L'interfaccia di questa ultima release è descritta in un documento dal titolo
\textit{System V Interface Description}, o SVID; spesso però si fa riferimento
a questo standard con il nome della sua implementazione, usando la sigla SVr4.

Anche questo costituisce un sovrainsieme delle interfacce definite dallo
standard POSIX.  Nel 1992 venne rilasciata una seconda versione del sistema:
la SVr4.2. L'anno successivo la divisione della AT\&T (già a suo tempo
rinominata in Unix System Laboratories) venne acquistata dalla Novell, che poi
trasferì il marchio Unix al consorzio X/Open; l'ultima versione di System V fu
la SVr4.2MP rilasciata nel Dicembre 93.

Linux e le \acr{glibc} implementano le principali funzionalità richieste da
SVID che non sono già incluse negli standard POSIX ed ANSI C, per
compatibilità con lo Unix System V e con altri Unix (come SunOS) che le
includono. Tuttavia le funzionalità più oscure e meno utilizzate (che non sono
presenti neanche in System V) sono state tralasciate.

Le funzionalità implementate sono principalmente il meccanismo di
intercomunicazione fra i processi e la memoria condivisa (il cosiddetto System
V IPC, che vedremo in \secref{sec:ipc_sysv}) le funzioni della famiglia
\func{hsearch} e \func{drand48}, \func{fmtmsg} e svariate funzioni
matematiche.


\subsection{Il comportamento standard del \cmd{gcc} e delle \acr{glibc}}
\label{sec:intro_gcc_glibc_std}

In Linux, grazie alle \acr{glibc}, gli standard appena descritti sono
ottenibili sia attraverso l'uso di opzioni del compilatore (il \cmd{gcc}) che
definendo opportune costanti prima dell'inclusione dei file degli header.

Se si vuole che i programmi seguano una stretta attinenza allo standard ANSI C
si può usare l'opzione \cmd{-ansi} del compilatore, e non sarà riconosciuta
nessuna funzione non riconosciuta dalle specifiche standard ISO per il C.

Per attivare le varie opzioni è possibile definire le macro di preprocessore,
che controllano le funzionalità che le \acr{glibc} possono mettere a
disposizione: questo può essere fatto attraverso l'opzione \cmd{-D} del
compilatore, ma è buona norma inserire gli opportuni \code{\#define} nei
propri header file.

Le macro disponibili per i vari standard sono le seguenti:
\begin{basedescript}{\desclabelwidth{3cm}\desclabelstyle{\nextlinelabel}}
\item[\macro{\_POSIX\_SOURCE}] definendo questa macro si rendono disponibili
  tutte le funzionalità dello standard POSIX.1 (la versione IEEE Standard
  1003.1) insieme a tutte le funzionalità dello standard ISO C. Se viene anche
  definita con un intero positivo la macro \macro{\_POSIX\_C\_SOURCE} lo stato
  di questa non viene preso in considerazione.
\item[\macro{\_POSIX\_C\_SOURCE}] definendo questa macro ad un valore intero
  positivo si controlla quale livello delle funzionalità specificate da POSIX
  viene messa a disposizione; più alto è il valore maggiori sono le
  funzionalità. Se è uguale a '1' vengono attivate le funzionalità specificate
  nella edizione del 1990 (IEEE Standard 1003.1-1990), valori maggiori o
  uguali a '2' attivano le funzionalità POSIX.2 specificate nell'edizione del
  1992 (IEEE Standard 1003.2-1992). Un valore maggiore o uguale a `199309L'
  attiva le funzionalità POSIX.1b specificate nell'edizione del 1993 (IEEE
  Standard 1003.1b-1993).  Un valore maggiore o uguale a `199506L' attiva le
  funzionalità POSIX.1 specificate nell'edizione del 1996 (ISO/IEC 9945-1:
  1996). Valori superiori abiliteranno ulteriori estensioni.
\item[\macro{\_BSD\_SOURCE}] definendo questa macro si attivano le
  funzionalità derivate da BSD4.3, insieme a quelle previste dagli standard
  ISO C, POSIX.1 e POSIX.2. Alcune delle funzionalità previste da BSD sono
  però in conflitto con le corrispondenti definite nello standard POSIX.1, in
  questo caso le definizioni previste da BSD4.3 hanno la precedenza rispetto a
  POSIX.  A causa della natura dei conflitti con POSIX per ottenere una piena
  compatibilità con BSD4.3 è necessario anche usare una libreria di
  compatibilità, dato che alcune funzioni sono definite in modo diverso. In
  questo caso occorre pertanto anche usare l'opzione \cmd{-lbsd-compat} con il
  compilatore per indicargli di utilizzare le versioni nella libreria di
  compatibilità prima di quelle normali.
\item[\macro{\_SVID\_SOURCE}] definendo questa macro si attivano le
  funzionalità derivate da SVID. Esse comprendono anche quelle definite negli
  standard ISO C, POSIX.1, POSIX.2, and X/Open.
\item[\macro{\_XOPEN\_SOURCE}] definendo questa macro si attivano le
  funzionalità descritte nella \textit{X/Open Portability Guide}. Anche queste
  sono un soprainsieme di quelle definite in POSIX.1 e POSIX.2 ed in effetti
  sia \macro{\_POSIX\_SOURCE} che \macro{\_POSIX\_C\_SOURCE} vengono
  automaticamente definite. Sono incluse anche ulteriori funzionalità
  disponibili in BSD e SVID. Se il valore della macro è posto a 500 questo
  include anche le nuove definizioni introdotte con la \textit{Single UNIX
    Specification, version 2}, cioè Unix98.
\item[\macro{\_XOPEN\_SOURCE\_EXTENDED}] definendo questa macro si attivano le
  ulteriori funzionalità necessarie ad essere conformi al rilascio del marchio
  \textit{X/Open Unix}.
\item[\macro{\_ISOC99\_SOURCE}] definendo questa macro si attivano le
  funzionalità previste per la revisione delle librerie standard del C
  denominato ISO C99. Dato che lo standard non è ancora adottato in maniera
  ampia queste non sono abilitate automaticamente, ma le \acr{glibc} hanno già
  un'implementazione completa che può essere attivata definendo questa macro.
\item[\macro{\_LARGEFILE\_SOURCE}] definendo questa macro si attivano le
  funzionalità per il supporto dei file di grandi dimensioni (il \textit{Large
    File Support} o LFS) con indici e dimensioni a 64 bit.
\item[\macro{\_GNU\_SOURCE}] definendo questa macro si attivano tutte le
  funzionalità disponibili: ISO C89, ISO C99, POSIX.1, POSIX.2, BSD, SVID,
  X/Open, LFS più le estensioni specifiche GNU. Nel caso in cui BSD e POSIX
  confliggano viene data la precedenza a POSIX.
\end{basedescript}

In particolare è da sottolineare che le \acr{glibc} supportano alcune
estensioni specifiche GNU, che non sono comprese in nessuno degli
standard citati. Per poterle utilizzare esse devono essere attivate
esplicitamente definendo la macro \macro{\_GNU\_SOURCE} prima di
includere i vari header file.


\subsection{Gli standard di GNU/Linux}
\label{sec:intro_linux_std}

Da fare (o cassare, a seconda del tempo e della voglia).



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%%% mode: latex
%%% TeX-master: "gapil"
%%% End: