Linux 编程基础2–什么是POSIX

IEEE，总部位于美国纽约，是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，也是目前全球最大的非营利性专业技术学会。IEEE致力于电气、电子、计算机工程和与科学有关的领域的开发和研究，在太空、计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品等领域已制定了1300多个行业标准，现已发展成为具有较大影响力的国际学术组织。

3. POSIX标准下载

主页：http://blog.csdn.net/ablo_zhou

很多人听说了POSIX标准，但标准具体长什么样，在哪里下载到，则不清楚。现在我开放出来，供相关人员使用。

Single UNIX Specification V3，IEEE Std 1003.1,2004 Edition

标准线上地址：http://www.unix.org/version3/online.html注册后可以在线阅读或者下载。

IEEE和Open Group 的POSIX认证：http://www.opengroup.org/certification/idx/posix.html

相关页面：http://www.unix.org/version3/ieee_std.html

二、POSIX历史

1. 起源

POSIX是Unix的标准。

1974年，贝尔实验室正式对外发布Unix。因为涉及到反垄断等各种原因，加上早期的Unix不够完善，于是贝尔实验室以慷慨的条件向学校提供源代码，所以Unix在大专院校里获得了很多支持并得以持续发展。

于是出现了好些独立开发的与Unix基本兼容但又不完全兼容的OS，通称Unix-like OS。

包括：

美国加州大学伯克利分校的Unix4.xBSD(Berkeley Software Distribution)。
贝尔实验室发布的自己的版本，称为System V Unix。
其他厂商的版本，比如Sun Microsystems的Solaris系统,则是从这些原始的BSD和System V版本中衍生而来。

20世纪80年代中期，Unix厂商试图通过加入新的、往往不兼容的特性来使它们的程序与众不同。

局面非常混乱，麻烦也就随之而来了。

为了提高兼容性和应用程序的可移植性，阻止这种趋势， IEEE(电气和电子工程师协会)开始努力标准化Unix的开发，后来由 Richard Stallman命名为“Posix”。

这套标准涵盖了很多方面，比如Unix系统调用的C语言接口、shell程序和工具、线程及网络编程。

2.

谁遵循这个标准呢？

首先就是大名鼎鼎的Unix和Linux了，除此之外还有苹果的操作系统也是Unix-based的。有了这个规范，你就可以调用通用的API了，Linux提供的POSIX系统调用在Unix上也能执行，因此学习Linux的底层接口最好就是理解POSIX标准。

Windows从WinNT开始就有兼容POSIX的考虑。这是因为当年在要求严格的领域，Unix地位比Windows高。为了把Unix用户拉到Windows阵营，被迫支持POSIX。

现在Win10对 Linux/POSIX 支持好，则是因为Linux已经统治了廉价服务器市场。为了提高Windows的竞争力搞的。

所以一切都是以市场为主导。

3. 支持POSIX-Linux成功的最重要一个因素

Linux之所以能够成功，有很多因素，但是支持POSIX标准无疑是它能够快速发展的最重要的一个因素。

POSIX 标准的制定最后投票敲定阶段大概是 1991~1993 年间，而此时正是Linux 刚刚起步的时候，这个 UNIX 标准为 Linux 提供了极为重要的信息，使得 Linux 能够在标准的指导下进行开发，并能够与绝大多数 UNIX 操作系统兼容。

在最初的 Linux 内核源码（0.01版、0.11版）中就已经为 Linux 系统与 POSIX 标准的兼容做好了准备工作。

在 Linux 0.01 版内核 /include/unistd.h 文件中就已经定义了几个有关 POSIX 标准要求的符号常数，而且 Linus 在注释中已写道：“OK，这也许是个玩笑，但我正在着手研究它呢”。

正是由于Linux支持POSIX标准，无数可以在unix上运行的程序都陆续的移植到Linux上，而此时unix因为版权问题，官司打的不可开交，使得Linux后来者居上。

三、可移植性

聊到POSIX，那我们就不得不说说到底什么是可移植性，在讲可移植性之前，我们先来了解库函数和系统调用的区别。

Linux下对文件操作有两种方式：系统调用（system call）和库函数调用（Library functions）。

1. 系统调用

系统调用是通向操作系统本身的接口，是面向底层硬件的。通过系统调用，可以使得用户态运行的进程与硬件设备(如CPU、磁盘、打印机等)进行交互，是操作系统留给应用程序的一个接口。

2. 库函数

库函数（Library function）是把函数放到库里，供别人使用的一种方式。

方法是把一些常用到的函数编完放到一个文件里，供不同的人进行调用。一般放在.lib文件中。

库函数调用则是面向应用开发的，库函数可分为两类，

一类是C语言标准规定的库函数，
一类是编译器特定的库函数。

(由于版权原因，库函数的源代码一般是不可见的，但在头文件中你可以看到它对外的接口)。

glibc 是 Linux 下使用的开源的标准 C 库，它是 GNU 发布的 libc 库，即运行时库。这些基本函数都是被标准化了的，而且这些函数通常都是用汇编直接实现的。

glibc 为程序员提供丰富的 API（Application Programming Interface），这些API都是遵循POSIX标准的，API的函数名，返回值，参数类型等都必须按照POSIX标准来定义。

POSIX兼容也就指定这些接口函数兼容，但是并不管API具体如何实现。

3. 库函数API和系统调用的区别

如上图所示：

(1) 库函数是语言或应用程序的一部分，而系统调用是内核提供给应用程序的接口，属于系统的一部分
(2) 库函数在用户地址空间执行，系统调用是在内核地址空间执行，库函数运行时间属于用户时间，系统调用属于系统时间，库函数开销较小，系统调用开销较大
(3) 系统调用依赖于平台，库函数并不依赖
系统调用是为了方便使用操作系统的接口，而库函数则是为了人们编程的方便。

库函数调用与系统无关，不同的系统，调用库函数，库函数会调用不同的底层函数实现，因此可移植性好。

4. 程序的可移植性及其本质

那么目标代码和启动代码是怎么生成的呢？答案是编译器。

编程语言编写的程序首先要被编译器编译成目标代码（0、1代码），然后在目标代码的前面插入启动代码，最终生成了一个完整的程序。

要注意的是，程序中为访问特定设备（如显示器）或者操作系统（如windows xp  的API)的特殊功能而专门编写的部分通常是不能移植的。

综上所述，一个编程语言的可移植性取决于

不同平台编译器的数量
对特殊硬件或操作系统的依赖性

移植是基于操作系统的。但是这个时候，我们需要注意一点：基于各种操作系统平台不同，应用程序在二进制级别是不能直接移植的。

我们只能在代码层去思考可移植问题，在API层面上由于各个操作系统的命名规范、系统调用等自身原因，在API层面上实现可移植也是不大可能的。

在各个平台下，我们默认C标准库中的函数都是一样的，这样基本可以实现可移植。但是对于C库本身而言，

在各种操作系统平台下其内部实现是完全不同的

，也就是说C库封装了操作系统API在其内部的实现细节。

因此，C语言提供了我们在代码级的可移植性，即这种可移植是通过C语言这个中间层来完成的。

例如在我们的代码中下功夫。以下代码可以帮助我们实现各平台之间的可移植：

#ifdef _WINDOWS_
       CreateThread();      //windows下线程的创建
#else
       Pthread_create();    //Linux下线程的创建
#endif

对于头文件，也使用同样的预编译宏来实现。如：

#ifndef _WINDOWS_
       #include <windows.h>
#else
       #include <thread.h>
#endif

这样就可以实现代码的可移植了。在编译的时候只要通过#define就可以选择在那个平台下完成程序的编译。

综上所述，我们都是将C，C++等各种语言当作中间层，以实现其一定程度上的可移植。如今，语言的跨平台的程序都是以这样的方式实现的。但是在不同的平台下，仍需要重新编译。

5. 系统开销

使用系统调用会影响系统的性能，在执行调用时的从用户态切换到内核态，再返回用户态会有系统开销。

为了减少开销，因此需要

减少系统调用的次数

，并且让

每次系统调用尽可能的完成多的任务

。

硬件也会限制对底层系统调用一次所能写的数据块的大小。

为了给设备和文件提供更高层的接口，Linux系统提供了一系列的标准函数库。

使用标准库函数，可以高效的写任意长度的数据块，库函数在数据满足数据块长度要求时安排执行底层系统调用。

一般地，操作系统为了考虑实现的难度和管理的方便，它只提供一少部分的系统调用，这些系统调用一般都是由C和汇编混合编写实现的，其接口用C来定义，而具体的实现则是

汇编

，这样的

好处就是执行效率高

，而且，极大的方便了上层调用。

随着系统提供的这些库函数把系统调用进行封装或者组合，可以实现更多的功能，这样的库函数能够实现一些对内核来说比较复杂的操作。

比如，read()函数根据参数，直接就能读文件，而背后

隐藏的比如文件在硬盘的哪个磁道，哪个扇区，加载到内存的哪个位置等等这些操作

，程序员是不必关心的，这些操作里面自然也包含了系统调用。

而对于第三方的库，它其实和系统库一样，只是它直接利用系统调用的可能性要小一些，而是利用系统提供的API接口来实现功能(API的接口是开放的)。

四、举例

如下图是Linux系统调用的大概流程。

当应用程序调用printf()函数时，printf函数会调用C库中的printf，继而调用C库中的write，C库最后调用内核的write()。

而另一些则不会使用系统调用，比如strlen, strcat, memcpy等。

printf函数执行过程中，程序运行状态切换如下：

用户态–>系统调用–>内核态–>返回用户态

printf函数、glibc库和系统调用在系统中关系图如下：

实例代码如下：

  1 #include <stdio.h>
  2 
  3 
  4 int main(int argc, char **argv)
  5 {
  6     printf("yikoulinux");   
  7     return 0;
  8 }

编译执行

root@ubuntu:/home/peng/test# gcc 123.c -o run
root@ubuntu:/home/peng/test# strace ./run

如执行结果可知：我们的程序虽然只有一个printf函数，但是在执行过程中，我们前后调用了execve、access、open、fstat、mmap、brk、write等系统调用。其中write系统调用会把字符串：yikoulinux通过设备文件1，发送到驱动，该设备节点对应终端stdout。

【注意】运行程序前加上strace，可以追踪到函数库调用过程。

一、什么是POSIX

1. 概念

2. 发布者-IEEE