\chapter{L'architettura di GNU/Linux}
\label{cha:intro_unix}

In questo primo capitolo sarà fatta un'introduzione ai concetti generali su
cui è basato un sistema di tipo unix come GNU/Linux, per fornire una base di
comprensione mirata a sottolineare le peculiarità che saranno poi importanti
per quello che riguarda la programmazione. 

Dopo un introduzione sulle caratteristiche principali di un sistema di tipo
unix passeremo ad illustrare alcuni dei concetti basi dell'architettura di
Linux (che sono comunque comuni a tutti i sistemi \textit{unix-like}) ed
introdurremo alcunoi degli standard princincipali a cui si fa riferimento.


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

In questa prima sezione faremo una panoramica sulla struttura di un sistema
\textit{unix-like} come Linux.  Chi avesse già una conoscenza di questa
materia può tranquillamente saltare questa sezione.

Il concetto base di un sistema unix-like é quello di un nucleo del sistema (il
cosiddetto \textit{kernel}) 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 unix si presenta come un sistema operativo
\textit{multitasking}, cioè in grado di eseguire contemporaneamente più
programmi, e multiutente, in cui é 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.

Gli unix più recenti, come Linux, sono stati realizzati usando 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 é che il kernel é 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}, 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{prehemptive 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 del kernel attraverso il meccanismo della
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 quando
necessario su disco (nella cosiddetta \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}, vedi \capref{cha:files_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).


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

Uno dei concetti fondamentale 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 é l'ambiente in cui viene eseguito il kernel. Ogni
programma vede se 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 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; all'avvio il BIOS (o in
generale il software di avvio posto nelle EPROM) eseguirà il \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, \textit{init} che è quello che si incaricherà di
far partire tutti i processi successivi, come quello che si occupa di
dialogare con la tastiera e lo schermo della console, mettendo a disposizione
dell'utente che si vuole collegare un terminale e la stessa \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
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. Per questo può capitare che
alcune operazioni, come quella in esempio, siano 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 è più corretto parlare di sistema GNU/Linux, in quanto 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 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 routine che un programma può chiamare per
le quali viene generata una interruzione e il controllo è passato dal
programma al kernel. Sarà poi quest'ultimo che (oltre a compiere una serie di
operazioni interne come la gestione del multitaskin e il l'allocazione della
memoria) eseguirà la funzione richiesta in kernel space restituendo i
risultati al chiamante.

Ogni versione unix ha storicamente sempre avuto un certo numero di queste
chiamate, che sono riportate nella seconda sezione del \textsl{Manuale della
  programmazione di unix} (quella che si accede con il comando \texttt{man 2})
e linux non fa eccezione. Queste sono poi state codificate da vari standard,
che esamineremo brevemente in \secref{sec:intro_standard}.

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 una serie
di ulteriori funzioni usate comunemente nella programmazione.

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

Per questo in Linux è in effetti GNU/Linux, in quanto una parte essenziale del
sistema (senza la quale niente può funzionare) è la realizzazione fatta dalla
Free Software Foundation della suddetta libreria (la GNU Standard C Library,
in breve \textit{glibc}), in cui sono state implementate tutte le funzioni
essenziali definite negli standard POSIX e ANSI C, e che viene utilizzata da
qualunque programma.

Le funzioni di questa libreria sono quelle riportate dalla terza sezione del
Manuale di Programmazione di Unix, 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
relizzazione 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 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, utente che ha
dei ben definiti limiti e capacità rispetto a quello che può fare. 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.

Ad ogni utente è dato un nome \textit{username}, che è quello che viene
richiesto all'ingresso nel sistema dalla procedura di \textit{login}. Questa
procedura si incarica di verificare la identità dell'utente (in genere
attraverso la richiesta di una parola d'ordine, anche se sono possibili
meccanismi diversi).

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 una 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 (\textit{group}), ma può
essere associato a più gruppi, 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 in espresso in caratteri \`e inserita nei due files
\texttt{/etc/passwd} e \texttt{/etc/groups}). Questi numeri sono
l'\textit{user identifier}, detto in breve \textit{uid} e il \textit{group
  identifier}, detto in breve \textit{gid} che sono quelli che identificano
l'utente di fronte al sistema.
 
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:filedir_access_control}) è regolato da questo meccanismo di
identificazione.

Un utente speciale del sistema è \textit{root}, il cui uid è zero. Esso
identifica l'amministratore del sistema, che deve essere in grado di fare
qualunque operazione; pertanto per l'utente root i meccanismi di controllo
descritti in precedenza sono disattivati.


\section{Gli standard di unix e GNU/Linux}
\label{sec:intro_standard}

In questa sezione prenderemo in esame alcune caratteristiche generali del
sistema e gli standard adottati per le funzioni, i prototipi, gli errori, i
tipi di dati.

\subsection{Prototipi e puntatori}
\label{sec:intro_function}

\subsection{La misura del tempo in unix}
\label{sec:intro_unix_time}

Storicamente i sistemi unix-like hanno sempre mantenuto due distinti valori
per i tempi all'interno del sistema, chiamati rispettivamente \textit{calendar
  time} e \textit{process time}, secondo le definizioni:
\begin{itemize}
\item \textit{calendar time}: è il numero di secondi dalla mezzanotte del
  primo gennaio 1970, in tempo universale coordinato (o UTC, data che viene
  usualmente indicata con 00:00:00 Jan, 1 1970 (UTC) e chiamata \textit{the
    Epoch}). Viene chiamato anche GMT (Greenwich Mean Time) dato che l'UTC
  corrisponde all'ora locale di Greenwich.  E' il tempo su cui viene mantenuto
  l'orologio del calcolatore, e viene usato ad esempio per indicare le date di
  modifica dei file o quelle di avvio dei processi. Per memorizzare questo
  tempo è stato riservato il tipo primitivo \func{time\_t}.
\item \textit{process time}: talvolta anche detto tempo di CPU. Viene misurato
  in \textit{clock tick}, corripondenti al numero di interruzioni effettuate
  dal timer di sistema, e che per Linux sono ogni centesimo di secondo
  (eccetto per la piattaforma alpha). Il dato primitivo usato per questo tempo
  è \func{clock\_t}, inoltre la costante \macro{HZ} restituisce la frequenza
  di operazione del timer, e corrisponde dunque al numero di tick al secondo
  (Posix definisce allo stesso modo la costante \macro{CLK_TCK}); questo
  valore può comunque essere ottenuto con \func{sysconf} (vedi
  \secref{sec:intro_limits}).
\end{itemize}

In genere si usa il \textit{calendar time} per tenere le date dei file e le
informazioni analoghe che riguardano i tempi di ``orologio'' (usati ad esempio
per i demoni che compiono lavori amministrativi ad ore definite, come
\cmd{cron}). Di solito questo vene convertito automaticamente dal valore in
UTC al tempo locale, utilizzando le opportune informazioni di localizzazione
(specificate in \file{/etc/timezone}). E da tenere presente che questo tempo è
mantenuto dal sistema e non corrisponde all'orologio hardware del calcolatore.

Il \textit{process time} di solito si esprime in secondi e viene usato appunto
per tenere conto dei tempi di esecuzione dei processi. Per ciascun processo il
kernel tiene tre di questi tempi: 
\begin{itemize}
\item \textit{clock time}
\item \textit{user time}
\item \textit{system time}
\end{itemize}
il primo è il tempo ``reale'' (viene anche chiamato \textit{wall clock time})
dall'avvio del processo, e misura il tempo trascorso fino alla sua
conclusione; chiaramente un tale tempo dipede anche dal carico del sistema e
da quanti altri processi stavano girando nello stesso periodo. Il secondo
tempo è quello che la CPU ha speso nell'esecuzione delle istruzioni del
processo in user space. Il terzo è il tempo impiegato dal kernel per eseguire
delle system call per conto del processo medesimo (tipo quello usato per
eseguire una \func{write} su un file). In genere la somma di user e system
time viene chiamato \textit{CPU time}. 

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

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

\subsection{Valori e limiti del sistema}
\label{sec:intro_limits}


\subsection{Tipi di dati primitivi}
\label{sec:intro_data_types}

