-\chapter{L'architettura di GNU/Linux}
+%% intro.tex
+%%
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+\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 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.
+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 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.
+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 sulla struttura}
+\section{Una panoramica}
\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.
+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.
-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
+\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 é possibile che più utenti siano connessi ad
+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,
+% 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
+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 é che il kernel é il solo
+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}, 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.
+(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}, 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).
+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).
-\section{User space e kernel space}
+\subsection{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
+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 é l'ambiente in cui viene eseguito il kernel. Ogni
-programma vede se stesso come se avesse la piena disponibilità della CPU e
+\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
+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.
+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
+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.
\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.
+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
-programma di scrittura o di disegno, in user space.
+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. Per questo può capitare che
-alcune operazioni, come quella in esempio, siano implementate come normali
-programmi.
+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 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.
+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}
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
+ 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 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}.
+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 una serie
-di ulteriori funzioni usate comunemente nella programmazione.
+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 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.
+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
+ Standard del C, come le \textit{libc5} o le \textit{uClib}, che non derivano
+ dal progetto GNU. Le \textit{libc5} oggi sono, tranne casi particolari,
+ completamente soppiantate dalle \acr{glibc}, le \textit{uClib} pur non
+ essendo complete come le \acr{glibc}, restano invece molto diffuse nel mondo
+ embedded per le loro di dimensioni ridotte (e soprattutto la possibilità di
+ togliere le parti non necessearie), e pertanto costituiscono un valido
+ rimpiazzo delle \acr{glibc} in tutti quei sistemi specializzati che
+ richiedono una minima occupazione di memoria.} 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
-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.
+\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 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.
+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, 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
+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.
-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).
+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 una interfaccia grafica) che mette a disposizione dell'utente un
+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 (\textit{group}), ma può
-essere associato a più gruppi, questo permette di gestire i permessi di
+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 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.
+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:filedir_access_control}) è regolato da questo meccanismo di
+\secref{sec:file_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.
+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 di unix e GNU/Linux}
+\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}
-
-
-\subsection{Lo standard POSIX}
+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). In particolare questo è vero nell'uso dei cosiddetti
+\textit{tipi elementari}\index{tipo!elementare} del linguaggio C (come
+\ctyp{int}) la cui dimensione varia a seconda dell'architettura hardware.
+
+Storicamente alcuni tipi nativi dello standard ANSI C sono sempre stati
+associati ad alcune variabili nei sistemi Unix, dando per scontata la
+dimensione. Ad esempio la posizione corrente all'interno di un file è sempre
+stata associata ad un intero a 32 bit, mentre il numero di dispositivo è
+sempre stato associato ad un intero a 16 bit. Storicamente questi erano
+definiti rispettivamente come \ctyp{int} e \ctyp{short}, ma tutte le volte
+che, con l'evolversi ed il mutare delle piattaforme hardware, alcuni di questi
+tipi si sono rivelati inadeguati o sono cambiati, ci si è trovati di fronte ad
+una infinita serie di problemi di portabilità.
+
+\begin{table}[htb]
+ \footnotesize
+ \centering
+ \begin{tabular}[c]{|l|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}\index{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{size\_t} & Dimensione di un oggetto.\\
+ \type{ssize\_t} & Dimensione in numero di 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 elementari dello standard del linguaggio C, ma ad una
+serie di \textsl{tipi primitivi}\index{tipo!primitivo} del sistema, riportati
+in \tabref{tab:intro_primitive_types}, e definiti nell'header file
+\file{sys/types.h}, in modo da mantenere completamente indipendenti i tipi
+utilizzati dalle funzioni di sistema dai 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 inoltre 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).
+
+
+
+%%% Local Variables:
+%%% mode: latex
+%%% TeX-master: "gapil"
+%%% End:
projects / gapil.git / blobdiff