Aggiunte funzioni di gestione per le varibili di ambiente
[gapil.git] / intro.tex
1 \chapter{L'architettura di GNU/Linux}
2 \label{cha:intro_unix}
3
4 In questo primo capitolo sarà fatta un'introduzione ai concetti generali su
5 cui è basato un sistema di tipo unix come GNU/Linux, in questo modo potremo
6 fornire una base di comprensione mirata a sottolineare le peculiarità del
7 sistema che sono più rilevanti per quello che riguarda la programmazione.
8
9 Dopo una introduzione sulle caratteristiche principali di un sistema di tipo
10 unix passeremo ad illustrare alcuni dei concetti base dell'architettura di
11 GNU/Linux (che sono comunque comuni a tutti i sistemi \textit{unix-like}) ed
12 introdurremo alcuni degli standard principali a cui viene fatto riferimento.
13
14
15 \section{Una panoramica}
16 \label{sec:intro_unix_struct}
17
18 In questa prima sezione faremo una breve panoramica sull'architettura del
19 sistema.  Chi avesse già una conoscenza di questa materia può tranquillamente
20 saltare questa sezione.
21
22 Il concetto base di un sistema unix-like è quello di un nucleo del sistema (il
23 cosiddetto \textit{kernel}) a cui si demanda la gestione delle risorse
24 essenziali (la CPU, la memoria, le periferiche) mentre tutto il resto, quindi
25 anche la parte che prevede l'interazione con l'utente, deve venire realizzato
26 tramite programmi eseguiti dal kernel e che accedano alle risorse hardware
27 tramite delle richieste a quest'ultimo.
28
29 Fin dall'inizio uno unix si presenta come un sistema operativo
30 \textit{multitasking}, cioè in grado di eseguire contemporaneamente più
31 programmi, e multiutente, in cui è possibile che più utenti siano connessi ad
32 una macchina eseguendo più programmi ``in contemporanea'' (in realtà, almeno
33 per macchine a processore singolo, i programmi vengono eseguiti singolarmente
34 a rotazione).
35
36 % Questa e` una distinzione essenziale da capire,
37 %specie nei confronti dei sistemi operativi successivi, nati per i personal
38 %computer (e quindi per un uso personale), sui quali l'hardware (allora
39 %limitato) non consentiva la realizzazione di un sistema evoluto come uno unix.
40
41 Gli unix più recenti, come Linux, sono realizzati sfruttando alcune
42 caratteristiche dei processori moderni come la gestione hardware della memoria
43 e la modalità protetta. In sostanza con i processori moderni si può
44 disabilitare temporaneamente l'uso di certe istruzioni e l'accesso a certe
45 zone di memoria fisica.  Quello che succede è che il kernel è il solo
46 programma ad essere eseguito in modalità privilegiata, con il completo accesso
47 all'hardware, mentre i programmi normali vengono eseguiti in modalità protetta
48 (e non possono accedere direttamente alle zone di memoria riservate o alle
49 porte di input/output).
50
51 Una parte del kernel, lo \textit{scheduler}, si occupa di stabilire, ad
52 intervalli fissi e sulla base di un opportuno calcolo delle priorità, quale
53 ``processo'' deve essere posto in esecuzione (il cosiddetto
54 \textit{prehemptive scheduling}). Questo verrà comunque eseguito in modalità
55 protetta; quando necessario il processo potrà accedere alle risorse hardware
56 soltanto attraverso delle opportune chiamate al sistema che restituiranno il
57 controllo al kernel.
58
59 La memoria viene sempre gestita dal kernel attraverso il meccanismo della
60 \textsl{memoria virtuale}, che consente di assegnare a ciascun processo uno
61 spazio di indirizzi ``virtuale'' (vedi \secref{sec:proc_memory}) che il kernel
62 stesso, con l'ausilio della unità di gestione della memoria, si incaricherà di
63 rimappare automaticamente sulla memoria disponibile, salvando su disco quando
64 necessario (nella cosiddetta area di \textit{swap}) le pagine di memoria in
65 eccedenza.
66
67 Le periferiche infine vengono viste in genere attraverso un'interfaccia
68 astratta che permette di trattarle come fossero file, secondo il concetto per
69 cui \textit{everything is a file}, su cui torneremo in dettaglio in
70 \capref{cha:file_intro}, (questo non è vero per le interfacce di rete, che
71 hanno un'interfaccia diversa, ma resta valido il concetto generale che tutto
72 il lavoro di accesso e gestione a basso livello è effettuato dal kernel).
73
74
75 \section{User space e kernel space}
76 \label{sec:intro_user_kernel_space}
77
78 Uno dei concetti fondamentali su cui si basa l'architettura dei sistemi unix è
79 quello della distinzione fra il cosiddetto \textit{user space}, che
80 contraddistingue l'ambiente in cui vengono eseguiti i programmi, e il
81 \textit{kernel space}, che è l'ambiente in cui viene eseguito il kernel. Ogni
82 programma vede se stesso come se avesse la piena disponibilità della CPU e
83 della memoria ed è, salvo i meccanismi di comunicazione previsti
84 dall'architettura, completamente ignaro del fatto che altri programmi possono
85 essere messi in esecuzione dal kernel.
86
87 Per questa separazione non è possibile ad un singolo programma disturbare
88 l'azione di un altro programma o del sistema e questo è il principale motivo
89 della stabilità di un sistema unix nei confronti di altri sistemi in cui i
90 processi non hanno di questi limiti, o che vengono per vari motivi eseguiti al
91 livello del kernel.
92
93 Pertanto deve essere chiaro a chi programma in unix che l'accesso diretto
94 all'hardware non può avvenire se non all'interno del kernel; al di fuori dal
95 kernel il programmatore deve usare le opportune interfacce che quest'ultimo
96 fornisce allo user space. 
97
98
99 \subsection{Il kernel e il sistema}
100 \label{sec:intro_kern_and_sys}
101
102 Per capire meglio la distinzione fra kernel space e user space si può prendere
103 in esame la procedura di avvio di un sistema unix; all'avvio il BIOS (o in
104 generale il software di avvio posto nelle EPROM) eseguirà la procedura di
105 avvio del sistema (il cosiddetto \textit{boot}), incaricandosi di caricare il
106 kernel in memoria e di farne partire l'esecuzione; quest'ultimo, dopo aver
107 inizializzato le periferiche, farà partire il primo processo, \cmd{init}, che
108 è quello che a sua volta farà partire tutti i processi successivi. Fra questi
109 ci sarà pure quello che si occupa di dialogare con la tastiera e lo schermo
110 della console, e quello che mette a disposizione dell'utente che si vuole
111 collegare, un terminale e la \textit{shell} da cui inviare i comandi.
112
113 E' da rimarcare come tutto ciò, che usualmente viene visto come parte del
114 sistema, non abbia in realtà niente a che fare con il kernel, ma sia
115 effettuato da opportuni programmi che vengono eseguiti, allo stesso modo di un
116 qualunque programma di scrittura o di disegno, in user space.
117
118 Questo significa, ad esempio, che il sistema di per sé non dispone di
119 primitive per tutta una serie di operazioni (come la copia di un file) che
120 altri sistemi (come Windows) hanno invece al loro interno. Pertanto buona
121 parte delle operazioni di normale amministrazione di un sistema, come quella
122 in esempio, sono implementate come normali programmi.
123
124 %Una delle caratteristiche base di unix \`e perci\`o che \`e possibile
125 %realizzare un sistema di permessi e controlli che evitano che i programmi
126 %eseguano accessi non autorizzati. 
127
128 Per questo motivo è più corretto parlare di un sistema GNU/Linux, in quanto da
129 solo il kernel è assolutamente inutile; quello che costruisce un sistema
130 operativo utilizzabile è la presenza di tutta una serie di librerie e
131 programmi di utilità che permettono di eseguire le normali operazioni che ci
132 si aspetta da un sistema operativo.
133
134
135 \subsection{Chiamate al sistema e librerie di funzioni}
136 \label{sec:intro_syscall}
137
138 Come accennato le interfacce con cui i programmi possono accedere all'hardware
139 vanno sotto il nome di chiamate al sistema (le cosiddette \textit{system
140   call}), si tratta di un insieme di funzioni, che un programma può chiamare,
141 per le quali viene generata una interruzione processo ed il controllo passa
142 dal programma al kernel. Sarà poi quest'ultimo che (oltre a compiere una serie
143 di operazioni interne come la gestione del multitasking e l'allocazione della
144 memoria) eseguirà la funzione richiesta in \textit{kernel space} restituendo i
145 risultati al chiamante.
146
147 Ogni versione unix ha storicamente sempre avuto un certo numero di queste
148 chiamate, che sono riportate nella seconda sezione del \textsl{Manuale della
149   programmazione di unix} (quella cui si accede con il comando \cmd{man 2
150   nome}) e GNU/Linux non fa eccezione. Queste sono poi state codificate da
151 vari standard, che esamineremo brevemente in \secref{sec:intro_standard}.
152
153 Normalmente ciascuna di queste chiamate al sistema viene rimappata in
154 opportune funzioni con lo stesso nome definite dentro la Libreria Standard del
155 C, che, oltre alle interfacce alle system call, contiene anche tutta una serie
156 di ulteriori funzioni, comunemente usate nella programmazione.
157
158 Questo è importante da capire perché programmare in Linux significa anzitutto
159 essere in grado di usare la Libreria Standard del C, in quanto né il kernel,
160 né il linguaggio C, implementano direttamente operazioni comuni come la
161 allocazione dinamica della memoria, l'input/output bufferizzato o la
162 manipolazione delle stringhe, presenti in qualunque programma.
163
164 Anche per questo in Linux è in effetti GNU/Linux, in quanto una parte
165 essenziale del sistema (senza la quale niente può funzionare) è la
166 realizzazione fatta dalla Free Software Foundation della suddetta libreria (la
167 GNU Standard C Library, detta in breve \textit{glibc}), in cui sono state
168 implementate tutte le funzioni essenziali definite negli standard POSIX e ANSI
169 C, che vengono utilizzate da qualunque programma.
170
171 Le funzioni di questa libreria sono quelle riportate dalla terza sezione del
172 Manuale di Programmazione di Unix (cioè accessibili con il comando \cmd{man 3
173   nome}) e sono costruite sulla base delle chiamate al sistema del kernel; è
174 importante avere presente questa distinzione, fondamentale dal punto di vista
175 dell'implementazione, anche se poi, nella realizzazione di normali programmi,
176 non si hanno differenze pratiche fra l'uso di una funzione di libreria e
177 quello di una chiamata al sistema.
178
179
180 \subsection{Un sistema multiutente}
181 \label{sec:intro_multiuser}
182
183 Linux, come gli altri unix, nasce fin dall'inizio come sistema multiutente,
184 cioè in grado di fare lavorare più persone in contemporanea. Per questo
185 esistono una serie di meccanismi di sicurezza, che non sono previsti in
186 sistemi operativi monoutente, e che occorre tenere presente.
187
188 Il concetto base è quello di utente (\textit{user}) del sistema, le cui
189 capacità rispetto a quello che può fare sono sottoposte a ben precisi limiti.
190 Sono così previsti una serie di meccanismi per identificare i singoli utenti
191 ed una serie di permessi e protezioni per impedire che utenti diversi possano
192 danneggiarsi a vicenda o danneggiare il sistema.
193
194 Ad ogni utente è dato un nome \textit{username}, che è quello che viene
195 richiesto all'ingresso nel sistema dalla procedura di \textit{login}. Questa
196 procedura si incarica di verificare la identità dell'utente, in genere
197 attraverso la richiesta di una parola d'ordine, anche se sono possibili
198 meccanismi diversi\footnote{Ad esempio usando la libreria PAM
199   (\textit{Pluggable Autentication Methods}) è possibile astrarre
200   completamente i meccanismi di autenticazione e sostituire ad esempio l'uso
201   delle password con meccanismi di identificazione biometrica}.
202
203 Eseguita la procedura di riconoscimento in genere il sistema manda in
204 esecuzione un programma di interfaccia (che può essere la \textit{shell} su
205 terminale o una interfaccia grafica) che mette a disposizione dell'utente un
206 meccanismo con cui questo può impartire comandi o eseguire altri programmi.
207
208 Ogni utente appartiene anche ad almeno un gruppo (il cosiddetto
209 \textit{default group}), ma può essere associato ad altri gruppi (i
210 \textit{supplementary group}), questo permette di gestire i permessi di
211 accesso ai file e quindi anche alle periferiche, in maniera più flessibile,
212 definendo gruppi di lavoro, di accesso a determinate risorse, etc.
213
214 L'utente e il gruppo sono identificati da due numeri (la cui corrispondenza ad
215 un nome espresso in caratteri è inserita nei due file \file{/etc/passwd} e
216 \file{/etc/groups}). Questi numeri sono l'\textit{user identifier}, detto in
217 breve \acr{uid}, e il \textit{group identifier}, detto in breve \acr{gid}, che
218 sono quelli che poi vengono usati dal kernel per identificare l'utente.
219  
220 In questo modo il sistema è in grado di tenere traccia per ogni processo
221 dell'utente a cui appartiene ed impedire ad altri utenti di interferire con
222 esso. Inoltre con questo sistema viene anche garantita una forma base di
223 sicurezza interna in quanto anche l'accesso ai file (vedi
224 \secref{sec:file_access_control}) è regolato da questo meccanismo di
225 identificazione.
226
227 Infine in ogni unix è presente un utente speciale privilegiato, il cosiddetto
228 \textit{superuser}, il cui username è di norma \textit{root}, ed il cui
229 \acr{uid} è zero. Esso identifica l'amministratore del sistema, che deve
230 essere in grado di fare qualunque operazione; per l'utente \textit{root}
231 infatti i meccanismi di controllo descritti in precedenza sono
232 disattivati\footnote{i controlli infatti vengono sempre eseguiti da un codice
233   del tipo \texttt{if (uid) \{ ... \}}}.
234
235
236 \section{Gli standard di unix e GNU/Linux}
237 \label{sec:intro_standard}
238
239 In questa sezione faremo una breve panoramica relativa ai vari standard che
240 nel tempo sono stati formalizzati da enti, associazioni, consorzi e
241 organizzazioni varie al riguardo del sistema o alle caratteristiche che si
242 sono stabilite come standard di fatto in quanto facenti parte di alcune
243 implementazioni molto diffuse come BSD o SVr4.
244
245 Ovviamente prenderemo in considerazione solo gli aspetti riguardanti
246 interfacce di programmazione e le altre caratteristiche di un sistema
247 unix-like ed in particolare a come e in che modo essi sono supportati da
248 GNU/Linux (sia per quanto riguarda il kernel che le \acr{glibc}).
249
250
251 \subsection{Lo standard ANSI C}
252 \label{sec:intro_ansiC}
253
254 Lo standard ANSI C è stato definito nel 1989 dall'\textit{American National
255   Standard Institute}, come standard del linguaggio C ed è stato
256 successivamente adottato dalla \textit{International Standard Organisation}
257 come standard internazionale con la sigla ISO/IEC 9899:1990, e va anche sotto
258 il nome di standard ISO C.
259
260 Scopo dello standard è quello di garantire la portabilità dei programmi C fra
261 sistemi operativi diversi, ma oltre alla sintassi e alla semantica del
262 linguaggio C (operatori, parole chiave, tipi di dati) lo standard prevede
263 anche una libreria di funzioni che devono poter essere implementate su
264 qualunque sistema operativo.
265
266 Per questo motivo, anche se lo standard non ha alcun riferimento ad un sistema
267 di tipo unix, GNU/Linux (per essere precisi le glibc), come molti unix
268 moderni, provvede la compatibilità con questo standard, fornendo le funzioni
269 di libreria da esso previste. Queste sono dichiarate in quindici header file
270 (anch'essi provvisti dalla \acr{glibc}), uno per ciascuna delle quindici aree
271 in cui è stata suddivisa una libreria standard. In \ntab\ si sono riportati
272 questi header, insieme a quelli definiti negli altri standard descritti nelle
273 sezioni successive.
274
275 In realtà \acr{glibc} ed i relativi header file definiscono un insieme di
276 funzionalità in cui sono incluse come sottoinsieme anche quelle previste dallo
277 standard ANSI C. È possibile ottenere una conformità stretta allo standard
278 (scartando le funzionalità addizionali) usando il \cmd{gcc} con l'opzione
279 \cmd{-ansi}. Questa opzione istruisce il compilatore a definire nei vari
280 header file soltanto le funzionalità previste dallo standard ANSI C e a non
281 usare le varie estensioni al linguaggio e al preprocessore da esso supportate.
282
283
284 \subsection{Lo standard IEEE -- POSIX}
285 \label{sec:intro_posix}
286
287 Uno standard più attinente al sistema nel suo complesso (e che concerne sia il
288 kernel che le librerie e` lo standard POSIX. Esso prende origine dallo
289 standard ANSI C, che contiene come sottoinsieme, prevedendo ulteriori capacità
290 per le funzioni in esso definite, ed aggiungendone di nuove. Le estensioni
291 principali sono 
292
293 In realtà POSIX è una famiglia di standard diversi, il cui nome, suggerito da
294 Richard Stallman, sta per \textit{Portable Operating System Interface}, ma la
295 X finale denuncia la sua stretta relazione con i sistemi unix. Esso nasce dal
296 lavoro dell'IEEE (\textit{Institute of Electrical and Electronics Engeneers})
297 che ne produsse una prima versione, nota come IEEE 1003.1-1988, mirante a
298 standardizzare l'interfaccia con il sistema operativo.
299
300 Ma gli standard POSIX non si limitano alla standardizzazione delle funzioni di
301 libreria, e in seguito sono stati prodotti anche altri standard per la shell e
302 le utilities di sistema (1003.2), per le estensioni realtime e per i thread
303 (1003.1d e 1003.1c) e vari altri. 
304
305 Benché lo standard POSIX sia basato sui sistemi unix esso definisce comunque
306 una interfaccia e non fa riferimento ad una specifica implementazione (ad
307 esempio esiste anche una implementazione di questo standard pure sotto Windows
308 NT). Lo standard si è evoluto nel tempo ed una versione più aggiornata (quella
309 che viene normalmente denominata POSIX.1) è stata rilasciata come standard
310 internazionale con la sigla ISO/IEC 9945-1:1996. 
311
312 Le \acr{glibc} implementano tutte le funzioni definite nello standard POSIX.1,
313 e Linux; 
314
315
316 \subsection{Lo standard X/Open -- XPG3}
317 \label{sec:intro_xopen}
318
319 Il consorzio X/Open nacque nel 1984 come consorzio di venditori di sistemi
320 unix per giungere ad una armonizzazione delle varie implementazioni.  Per far
321 questo iniziò a pubblicare una serie di documentazioni e specifiche sotto il
322 nome di \textit{X/Open Portability Guide} (a cui di norma si fa riferimento
323 con l'abbreviazione XPGn).
324
325 Nel 1989 produsse una terza versione di questa guida particolarmente
326 voluminosa (la \textit{X/Open Portability Guide, Issue 3}), contenente una
327 ulteriore standardizzazione dell'interfaccia sistema unix, che venne presa
328 come riferimento da vari produttori.
329
330 Questo standard, detto anche XPG3 dal nome della suddetta guida, è sempre
331 basato sullo standard POSIX.1, ma prevede una serie di funzionalità aggiuntive
332 fra cui le specifiche delle API per l'interfaccia grafica (X11).
333
334 Nel 1992 lo standard venne rivisto con una nuova versione della guida, la
335 Issue 4 (da cui la sigla XPG4) che aggiungeva l'interfaccia XTI (\textit{X
336   transport Interface}) mirante a soppiantare (senza molto successo)
337 l'interfaccia dei socket derivata da BSD. Una seconda versione della guida fu
338 rilasciata nel 1994, questa è nota con il nome di Spec 1170 (dal numero delle
339 interfacce, header e comandi definiti). 
340
341 Nel 1993 il marchio Unix passò di proprietà dalla Novell (che a sua volta lo
342 aveva comprato dalla AT\&T) al consorzio X/Open che iniziò a pubblicare le sue
343 specifiche sotto il nome di \textit{Single UNIX Specification}, l'ultima
344 versione di Spec 1170 diventò così la prima versione delle \textit{Single UNIX
345   Specification}, più comunemente nota come \textit{Unix 95}.
346
347
348 \subsection{Gli standard UNIX  -- Open Group}
349 \label{sec:intro_opengroup}
350
351 Nel 1996 la fusione del consorzio X/Open con la Open Software Foundation (nata
352 da un gruppo di aziende concorrenti rispetto ai fondatori di X/Open) portò
353 alla costituzione dell'Open Group, un consorzio internazionale che raccoglie
354 produttori, utenti industriali, entità accademiche e governative.
355
356 Nel 1997 fu annunciata la seconda versione delle \textit{Single UNIX
357   Specification}, che portava le interfacce specificate a 1434 (e a 3030 per
358 le stazioni grafiche, comprendendo pure la definizione di CDE che richiede sia
359 X11 che Motif). La conformità a questa versione permette l'uso del nome
360 \textit{Unix 98}, usato spesso anche per riferirsi allo standard.
361
362
363 \subsection{Il comportamento standard del \cmd{gcc}}
364 \label{sec:intro_gcc}
365
366
367
368
369 \subsection{Lo ``standard'' BSD}
370 \label{sec:intro_bsd}
371
372 Lo sviluppo di BSD iniziò quando la fine della collaborazione fra l'Università
373 di Berkley e la AT/T generò una delle prime e più importanti fratture del
374 mondo Unix.  L'Università di Berkley proseguì nello sviluppo della base di
375 codice di cui disponeva, e che presentava parecchie migliorie rispetto alle
376 allora versioni disponibili, fino ad arrivare al rilascio di una versione
377 completa di unix, chiamata appunto BSD, del tutto indipendente dal codice
378 della AT/T.
379
380 Benchè BSD non sia uno standard formalizzato, l'implementazione di unix
381 dell'Università di Berkley, ha provveduto nel tempo una serie di estensioni e
382 di API grande rilievo, come il link simbolici (vedi \secref{sec:file_symlink},
383 la funzione \func{select}, i socket.
384
385 Queste estensioni sono state via via aggiunte al sistema nelle varie release
386 del sistema (BSD 4.2, BSD 4.3 e BSD 4.4) come pure in alcuni derivati
387 commerciali come SunOS. Le \acr{glibc} provvedono tutte queste estensioni che
388 sono state in gran parte incorporate negli standard successivi.
389
390
391 \subsection{Lo standard System V}
392 \label{sec:intro_sysv}
393
394 Come noto Unix nasce nei laboratori della AT/T, che per molti anni ne detiene
395 il marchio depositato; le varie versioni 
396
397
398 System V è la denominazione dello Unix sviluppato ufficialmente dalla AT/T; la
399 sua interfaccia è descritta in un documento dal titolo \textit{System V
400   Interface Description}, a cui si fa spesso riferimento con la sigla
401 SVID. Anche questo costituisce un sovrainsieme delle interfacce definite dallo
402 standard POSIX.
403
404
405
406
407
408
409
410 \subsection{Prototipi e puntatori}
411 \label{sec:intro_function}
412
413
414 \subsection{Tipi di dati primitivi}
415 \label{sec:intro_data_types}
416
417
418