-\chapter{Introduzione}
+\chapter{L'architettura di GNU/Linux}
\label{cha:intro_unix}
-In questo primo capitolo sarà fatta un'introduzione ai contetti generali su
-cui è basato un sistema di tipo unix, per fornire una base di comprensione
-mirata a sottolinearne le peculiarità che saranno poi importanti per quello
-che rigarda la programmazione; in particolare faremo una panoramica sulla
-struttura di un sistema \textit{unix-like} come Linux.
+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.
-Chi avesse già una conoscenza di questa materia può tranquillamente saltare
-il capitolo.
+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{La struttura di un sistema Unix}
+
+\section{Una panoramica sulla struttura}
\label{sec:intro_unix_struct}
-Il concetto base di unix 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.
+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}, cioé in grado di eseguire contemporaneamente più
+\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
%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
+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, al kernel
+(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'' (vedi Cap.~\ref{cha:process}) deve essere posto in esecuzione (il
-cosidetto \textit{prehemptive scheduling}), e questo verrà comunque eseguito
-in modelità protetta; quando necessario il processo potrà accedere alle
-risorse hardware soltanto attraverso delle opportune chiamate al sistema
-(\textit{system call}) con un'interfaccia ben definita e standardizzata che
-restituiranno il controllo al kernel.
+``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'' che il kernel stesso, con l'ausilio della unità di
-gestione della memoria, si incaricherà di rimappare automaticamente sulla
-memoria disponibile, salvando su disco (nella cosiddetta \textit{swap}) quando
-necessario le pagine di memoria in eccedenza.
+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 Cap.~\ref{cha:files_intro}, (questo
-non è vero per le interfacce di rete, ma resta valido il concetto generale che
-tutto il lavoro di accesso e gestione a basso livello è effettuato dal
-kernel), mentre ai programmi vengono fornite solo delle routine di
-interfacciamento; essendo l'argomento principale di cui tratteremo, di esse
-parleremo in abbondanza nei capitoli successivi.
+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_userkernel}
-
-Questa architettura fa sì che nei sistemi unix esista una distinzione
-essenziale 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 gira come se
-avesse la piena disponibilità della macchina e della memoria ed è, salvo i
-meccanismi di comunicazione previsti dall'architettura (che esamineremo nel
-Cap.~\ref{cha:IPC}) completamente ignaro del fatto che altri programmi possono
+\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.
-In questo 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.
+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.
-In genere queste vanno sotto il nome di chiamate al sistema (le cosiddette
-\textit{system call}), cioè un insieme di routine che un programma può
-chiamare per le quali viene generata una interruzione del medesimo e il
-controllo è passato dal programma al kernel, il quale (oltre a fare una serie
-di altre cose come controllare a quale processo tocca essere messo in
-esecuzione) eseguirà la funzione richiesta in kernel space passando indietro i
-risultati.
-
-È da chiarire poi che di solito i programmi non chiamano direttamente le
-singole system call, ma usano un insieme di funzioni standard (definite dallo
-standard internazionale POSIX1003.a(?)) che sono comuni a tutti gli unix.
-
-\section{Il kernel e il resto}
-\label{sec:intro_kernandlib}
+\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}
-incarichandosi di caricare il kernel in memoria e di farne partire
+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
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
+(come Windows) hanno invece al loro interno. Per questo può capitare che
alcune operazioni, come quella in esempio, siano implementate come normali
programmi.
programmi di utilità che permettono di eseguire le normali operazioni che ci
si aspetta da un sistema operativo.
-Questo è importante anche dal punto di vista della programmazione, infatti
-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 gestione della memoria, l'input/output
-o la manipolazione delle stringhe presenti in qualunque programma.
-
-Per questo in linux una parte essenziale del sistema (senza la quale nulla
-funziona) è la realizzazione fatta dalla FSF della suddetta libreria (la
-\textit{glibc}), in cui sono state implementate tutte le funzioni essenziali
-definite negli standard POSIX e ANSI C, che viene utilizzata da qualunque
-programma.
-
-\section{Utenti e gruppi, permessi e protezioni}
-\label{sec:intro_usergroup}
-
-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 base di sicurezza che non sono previsti in sistemi operativi
-monoutente.
+\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 uan
+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.
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
+ 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
-Sez.~\ref{sec:fileintr_access_ctrl}) è regolato da questo meccanismo di
+\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
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}
projects / gapil.git / blobdiff