【Linux系統編程】初識系統編程

- 一、什么是系統編程
- - 1. 系統編程的定義
  - 2. 系統編程的特點
  - 3. 系統編程的應用領域
  - 4. 系統編程的核心概念
  - 5. 系統編程的工具和技術
- 二、操作系統四大基本功能
- - 1. 進程管理（Process Management）
  - 2. 內存管理（Memory Management）
  - 3. 文件系統管理（File System Management）
  - 4. 設備管理（Device Management）
- 三、計算機系統分層
- - 1. 硬件層（Hardware Layer）
  - 2. 操作系統層（Operating System Layer）
  - 3. 系統軟件層（System Software Layer）
  - 4. 應用軟件層（Application Software Layer）
  - 5. 用戶層（User Layer）
- 四、我們如何使用呢
- - 1.系統調用接口
  - 2.函數庫
  - 3.shell

一、什么是系統編程

系統編程（System Programming）是計算機科學中的一個重要領域，專注于開發與計算機硬件和操作系統直接交互的軟件。它涉及底層操作、資源管理、系統服務的實現，以及對硬件資源的直接控制。
系統編程（System Programming）是計算機科學中的一個重要領域，專注于開發與計算機硬件和操作系統直接交互的軟件。它涉及底層操作、資源管理、系統服務的實現，以及對硬件資源的直接控制。以下是系統編程的詳細介紹：

1. 系統編程的定義

系統編程是指編寫與操作系統內核、硬件設備、系統資源（如內存、CPU、I/O設備）直接交互的軟件。它的主要目標是提供高效、可靠的基礎設施，以支持上層應用程序的運行。

與應用程序編程的區別：
- 應用程序編程：關注用戶功能（如Web開發、移動應用開發）。
- 系統編程：關注底層功能（如內存管理、進程調度、設備驅動）。

2. 系統編程的特點

與硬件和操作系統緊密相關：
- 直接調用操作系統提供的API（如Linux的系統調用）。
- 直接操作硬件資源（如內存、寄存器、設備控制器）。
高效性和性能優化：
- 系統軟件是其他應用程序運行的基礎，因此對性能要求極高。
- 需要優化代碼以減少資源占用和提高執行效率。
低級別語言：
- 通常使用C、C++、匯編語言等低級語言，因為它們提供了對硬件的直接控制能力。
- 高級語言（如Python、Java）通常不適合系統編程，因為它們的抽象層次較高。
復雜性和難度：
- 涉及復雜的底層邏輯，如并發控制、內存管理、錯誤處理等。
- 調試和測試系統程序比普通應用程序更具挑戰性。

3. 系統編程的應用領域

操作系統開發：
- 編寫操作系統內核、文件系統、進程調度器等。
- 例如，Linux、Windows、macOS等操作系統的開發。
設備驅動程序：
- 編寫硬件設備的驅動程序，使操作系統能夠與硬件通信。
- 例如，顯卡驅動、網絡適配器驅動等。
嵌入式系統：
- 為嵌入式設備（如智能家居、工業控制器）編寫固件和底層軟件。
- 例如，物聯網設備的開發。
系統工具和實用程序：
- 編寫系統管理工具，如編譯器、調試器、網絡協議棧等。
- 例如，GCC編譯器、Wireshark網絡分析工具。
虛擬化和容器技術：
- 實現虛擬機管理程序（如KVM、Xen）和容器引擎（如Docker）。
- 例如，云計算平臺的基礎設施開發。

4. 系統編程的核心概念

系統調用（System Call）：
- 應用程序通過系統調用請求操作系統提供服務，如文件操作、進程管理、網絡通信等。
- 例如，在Linux中，open()、read()、write()等函數都是系統調用。
內存管理：
- 管理物理內存和虛擬內存，包括內存分配、釋放、分頁、分段等。
- 例如，C語言中的malloc()和free()函數。
進程和線程：
- 管理進程的創建、調度、同步和通信。
- 例如，Linux中的fork()、exec()、pthread_create()等函數。
文件系統：
- 實現文件的存儲、檢索和管理。
- 例如，Linux中的ext4、NTFS等文件系統。
網絡編程：
- 實現網絡協議的棧和通信機制。
- 例如，TCP/IP協議棧、Socket編程。
中斷處理：
- 處理硬件中斷，以響應外部事件（如鍵盤輸入、網絡數據到達）。
- 例如，Linux中的中斷處理程序（ISR）。
并發和同步：
- 管理多個進程或線程的并發執行，確保數據一致性和資源競爭的正確處理。
- 例如，使用互斥鎖（Mutex）、信號量（Semaphore）等同步機制。

5. 系統編程的工具和技術

編程語言：
- C、C++、匯編語言是系統編程的主要語言。
- Rust也逐漸成為系統編程的熱門選擇，因為它提供了內存安全性。
開發工具：
- 編譯器：GCC、Clang
- 調試器：GDB、LLDB
- 性能分析工具：Valgrind、Perf
操作系統API：
- Linux系統調用：syscall、open、read、write
- Windows API：CreateProcess、ReadFile、WriteFile
虛擬化和容器技術：
- 虛擬機管理程序：KVM、Xen
- 容器引擎：Docker、Kubernetes

二、操作系統四大基本功能

1. 進程管理（Process Management）

操作系統負責創建、調度、終止進程，并管理進程之間的通信和同步。
確保CPU資源的高效利用，通過進程調度算法（如先來先服務、短作業優先、時間片輪轉等）分配CPU時間。

2. 內存管理（Memory Management）

操作系統管理計算機的主存（RAM），負責分配和回收內存空間。
實現虛擬內存技術，允許程序使用比物理內存更大的地址空間，并通過頁面置換算法（如FIFO、LRU等）管理內存頁面。

3. 文件系統管理（File System Management）

操作系統提供文件存儲、檢索、組織和保護的功能。
管理文件的創建、刪除、讀寫和權限控制，確保數據的安全性和一致性。

4. 設備管理（Device Management）

操作系統管理計算機的硬件設備，包括輸入輸出設備（如鍵盤、鼠標、打印機等）。
通過設備驅動程序與硬件交互，提供設備的中斷處理、緩沖和調度功能。

三、計算機系統分層

在這里插入圖片描述
計算機系統通常可以分為多個層次，每一層都有其特定的功能和職責。

1. 硬件層（Hardware Layer）

這是計算機系統的最底層，包括物理硬件設備，如處理器（CPU）、內存（RAM）、硬盤、輸入輸出設備（鍵盤、鼠標、顯示器等）。
硬件層提供計算機系統運行所需的物理資源。

2. 操作系統層（Operating System Layer）

操作系統層位于硬件層之上，負責管理硬件資源并提供基本的系統服務。
主要功能包括進程管理、內存管理、文件系統管理、設備管理等。

3. 系統軟件層（System Software Layer）

這一層包括各種系統工具和庫，如編譯器、調試器、鏈接器、系統庫等。
系統軟件層為應用程序提供運行環境和開發支持。

4. 應用軟件層（Application Software Layer）

這是最上層，包括各種應用程序，如辦公軟件、瀏覽器、游戲、數據庫管理系統等。
應用軟件層直接為用戶提供服務，滿足用戶的具體需求。

5. 用戶層（User Layer）

用戶層包括最終用戶，他們通過應用軟件與計算機系統進行交互。
用戶層是計算機系統的最終服務對象。

這些層次之間通過接口進行交互，每一層都依賴于下層的服務，并為上層提供支持。這種分層結構使得計算機系統的設計、開發、維護和擴展更加模塊化和高效。

四、我們如何使用呢

1.系統調用接口

操作系統提供的函數，我們稱之為系統調用函數或系統調用接口，比如ls命令就是一個封裝好的程序（和我們知道的a.out本質上沒區別），會調用內核接口，fopen()也會調用系統庫中的open()

應用程序不能直接訪問內核代碼和數據，只能通過系統調用接口

2.函數庫

1）標準C庫下的printf()、scanf()等，可以跨平臺使用。windows和linux都可以使用。
絕大多數標準C庫的函數會調用操作系統的提供的函數，比如printf()會調用系統庫中的write()，再比如fopen()調用系統庫中的open()
2）但是linux系統庫下的函數不能跨平臺使用，我們這里使用linux提供的。