Текст книги "Основы программирования в Linux"

Программный код и терминальные сеансы мы приводим тремя разными способами:

$ who

root tty1 Sep 10 16:12

rick tty2 Sep 10 16:10

Верхняя строка приведенного кода – это командная строка, а остальные строки отображаются в обычном стиле. Знак $ – приглашение (если для ввода команды требуется суперпользователь, приглашение обозначается знаком #); жирным шрифтом помечается текст, который вы должны ввести, и для выполнения команды следует нажать клавишу (или ). Любой последующий текст, набранный тем же шрифтом, но без выделения жирным, – это вывод обозначенной жирным шрифтом команды. В приведенном примере вы вводите команду who и видите ее вывод в двух строках, расположенных под ней.

Прототипы функций и структуры, определенные в системе Linux, приводятся жирным шрифтом, как показано далее:

#include

int printf(const char *format, ...);

В программном коде наших примеров строки с выделенным фоном указывают на новый важный материал, например, так:

/* Это новый материал, и соответствующий код выглядит так. */

если код выглядит так, как показано далее (без выделения фоном), он менее важен:

/* Этот код уже встречался, и он выглядит так. */

Часто, когда программа создается на протяжении главы, только что добавленный код первый раз приводится без фона. Например, новая программа будет выглядеть следующим образом.

/* Программный код примера */

/* Это строка завершения. */

Если позже в этой главе мы добавим в нее новые строки, она будет выглядеть так:

/* Программный код примера. */

/* В эти строки */

/* добавляется новый код */

/* Это строка завершения. */

И последнее, принятое в книге стилевое оформление, о котором следует упомянуть, – все примеры программного кода начинаются с заголовка "Упражнение", который помогает разделить код там, где это полезно, выделить его составные части и показать, как развивается приложение. Когда это важно, мы после программного кода включаем раздел "Как это работает" для пояснения основных мест в тексте программы, касающихся изложенной перед ним теории. Мы считаем,, что эти два приема помогают разбить наиболее громоздкие листинги на легко перевариваемые кусочки.

Ошибки

Мы приложили максимум усилий, чтобы избежать ошибок в тексте и программном коде. Но никто не идеален, и ошибки есть. Если вы найдете ошибку в одной из наших книг, мы будем очень благодарны, получив ваше сообщение о ней. Сообщив об ошибке, вы, быть может, убережете другого читателя от многочасового разочарования и в то же время поможете нам, предоставив информацию еще более высокого качества.

Для поиска страницы с ошибками, найденными в этой книге, перейдите на Web-сайт http://www.wrox.corn и найдите заголовок с помощью поля Search (Поиск) или одного из списков заголовков. Далее на странице с выходными данными книги щелкните кнопкой мыши ссылку Errata (Ошибки). Вы попадете на страницу, отображающую все ошибки, представленные на рассмотрение и опубликованные редакторами издательства Wrox. На Web-странице www.wrox.com/misc-pages/booklist.shtml можно найти полный список книг, включающий ссылки на ошибки, найденные в каждой книге.

Если вы не обнаружили "свою" ошибку на странице Errata (Ошибки), перейдите на страницу www.wrox.com/contact/techsupport.shtml и заполните форму для отправки нам найденной вами ошибки. Мы проверим присланную информацию и, если согласимся с ней, опубликуем сообщение на странице с ошибками, найденными в книге, и исправим ее в последующих изданиях книги.

Сайт p2p.wrox.com

Для обмена мнениями с авторами и такими же, как вы, читателями присоединяйтесь к форумам Р2Р (Programmer to Programmer) на Web-сайте p2p.wrox.com. Форумы – это система на основе Web-технологии, предназначенная для отправки вашего сообщения, относящегося к книгам издательства Wrox и родственным технологиям, и обмена мнениями с другими читателями и пользователями этих технологий. Форумы предлагают функцию подписки для отправки вам по электронной почте по мере поступления новых сообщений, относящихся к выбранным вами и интересующих вас темам. На этих форумах представлены авторы и редакторы Wrox и другие специалисты, работающие в области информационных технологий.

На Web-сайте http://p2p.wrox.com вы найдете ряд разных форумов, которые помогут вам не только во время чтения книги, но и в процессе разработки ваших собственных приложений. Для присоединения к форумам выполните следующие действия:

1. Перейдите на Web-сайт p2p.wrox.com и щелкните кнопкой мыши ссылку Register (Зарегистрироваться).

2. Прочтите условия пользования и щелкните мышью кнопку Agree (Принять).

3. Введите необходимую для присоединения к форуму информацию и любую необязательную информацию, которую хотите предоставить, и щелкните мышью кнопку Submit (Отправить).

4. Вы получите по электронной почте сообщение со сведениями, описывающими, как проверить вашу учетную запись и завершить процесс присоединения к форуму.

Примечание

Читать сообщения на форумах вы сможете и без регистрации в Р2Р, но для того чтобы отправлять собственные сообщения, придется зарегистрироваться.

После присоединения к форуму вы можете посылать новые сообщения и отвечать на сообщения, посланные другими пользователями. Читать сообщения можно будет в любое время, находясь в Web-пространстве. Если вы хотите получать по электронной почте новые сообщения, появляющиеся на конкретном форуме, щелкните мышью пиктограмму Subscribe to this Forum (Подписаться на этот форум), расположенную рядом с именем форума в списке форумов.

Для получения дополнительной информации о правилах использования системы Wrox Р2Р непременно прочтите Р2Р FAQ (часто задаваемые вопросы) и получите ответы о работе программного обеспечения форумов и ответы на общие вопросы, касающиеся Р2Р и книг издательства Wrox. Для чтения этих вопросов и ответов щелкните мышью ссылку FAQ на любой странице Р2Р.

Глава 1
Приступая к работе

В этой главе вы узнаете, что такое ОС Linux и как она связана со своим прообразом – ОС UNIX, познакомитесь с функциями и средствами, предоставляемыми средой разработки программ в ОС Linux, и напишите и выполните свою первую программу. Попутно вы получите представление о:

□ UNIX, Linux и проекте GNU;

□ программах и языках программирования в ОС Linux;

□ способах поиска ресурсов разработки;

□ статических и совместно используемых библиотеках;

□ теоретических основах ОС UNIX.

Введение в UNIX, Linux и проект GNU

В последние годы ОС Linux стала заметным явлением. И дня не проходит без того или иного упоминания Linux в электронных средствах массовой информации. Мы потеряли счет приложениям, которые стали доступны в ОС Linux и внедрившим ее организациям, включая некоторые министерства и городские администрации. Основные поставщики компьютерного оборудования, такие как корпорации IBM и Dell, поддерживают ОС Linux, а крупнейшие разработчики программного обеспечения, например компания Oracle, обеспечивают выполнение своих программ в ОС Linux. Linux стала по-настоящему конкурентоспособной операционной системой, особенно на серверном рынке.

Своим успехом она обязана системам и приложениям – предшественникам: ОС UNIX и программному обеспечению GNU. В этом разделе рассматривается, как появилась ОС Linux и каковы ее корни.

Операционная система UNIX первоначально была разработана в компании Bell Laboratories, бывшей в то время частью телекоммуникационного гиганта, компании AT&T. Разработанная в 1970-х гг. для мини-компьютеров PDP корпорации Digital Equipment ОС UNIX стала очень популярной многопользовательской, многозадачной операционной системой для самых разных аппаратных платформ, начиная с рабочих станций PC и заканчивая многопроцессорными серверами и суперкомпьютерами.

Краткая история ОС UNIX

Строго говоря, UNIX – это торговое название, контролируемое организацией Open Group и относящееся к компьютерной операционной системе, соответствующей определенной спецификации. В этой спецификации, именуемой «The Single UNIX Specification» («Единая спецификация UNIX»), определены имена, интерфейсы и поведение всех обязательных функций операционной системы UNIX. Данная спецификация в значительной степени представляет собой расширенный набор более ранних спецификаций, стандартов Р1003 или POSIX (Portable Operating System Interface, интерфейс переносимой операционной системы), разработанных IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers, Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике).

Существует много коммерческих UNIX-подобных систем, таких как AIX корпорации IBM, UX компании HP и Solaris компании Sun Microsystems. Некоторые системы, например FreeBSD и Linux, свободно распространяются. В настоящее время спецификации Open Group удовлетворяют лишь несколько операционных систем, что позволяет предлагать их на рынке с названием UNIX.

В прошлом совместимость разных систем UNIX была реальной проблемой, хотя стандарт POSIX и оказывал неоценимую помощь в ее решении. В наши дни следование нескольким простым правилам сделало возможным создание приложений, работающих под управлением всех UNIX и UNIX-подобных систем. Более подробную информацию о стандартах ОС Linux и UNIX вы сможете найти в главе 18.

Идеология UNIX

В последующих главах мы надеемся представить особенности программирования в ОС Linux (а следовательно, и в UNIX). Несмотря на то, что в большинстве своем программирование на языке С одинаково на разных платформах, у разработчиков Linux и UNIX есть свой взгляд на разработку программ и операционных систем.

В операционной системе UNIX, а значит и в Linux, поощряется определенный стиль программирования. Далее перечислены некоторые характеристики, общие для типовых программ и систем UNIX.

□ Простота. Многие из наиболее полезных утилит UNIX очень просты и как результат малы и понятны. KISS (Keep It Small and Simple, сохраняйте программу маленькой и простой) – отличный подход, которому следует научиться. Чем больше и сложнее система, тем наверняка в ней больше сложных ошибок, и отладка превращается в тяжелую работу, которой хотелось бы избежать.

□ Узкая направленность. Зачастую лучше сделать программу, хорошо выполняющую одну задачу, чем включать в каждую функцию полный набор нужного и ненужного. «Раздутую» программу трудно использовать и поддерживать ее работоспособность. Одноцелевые программы легче усовершенствовать при появлении улучшенных алгоритмов или интерфейсов. В ОС UNIX при необходимости выполнения трудных задач чаще комбинируются маленькие утилиты, чем делается попытка в одной большой программе предусмотреть все потребности пользователя.

□ Многократно используемые компоненты. Превращайте ядро вашего приложения в доступную библиотеку. Хорошо документированные библиотеки с простыми, но гибкими программными интерфейсами могут помочь другим пользователям разрабатывать различные варианты или применять методы в новых сферах приложения. К примерам можно отнести библиотеку базы данных dbm, представляющую собой пакет функций многократного использования, а не единую программу управления базой данных.

□ Фильтры. Многие приложения UNIX могут применяться как фильтры. Они преобразуют свой ввод и формируют вывод. Как вы увидите в дальнейшем, ОС UNIX обладает функциональными возможностями, позволяющими разрабатывать очень сложные приложения из других UNIX-программ путем комбинирования их оригинальными способами. Конечно, подобное многократное использование возможно благодаря методам разработки, упоминавшимся ранее.

□ Открытые файловые форматы. Наиболее удачные и популярные UNIX– программы применяют файлы конфигурации и файлы данных в виде обычного текста ASCII или файла на языке XML. Если в разрабатываемой вами программе можно использовать любой из этих форматов – это хороший выбор. Он позволит другим пользователям применить стандартные средства при изменении или поиске элементов конфигурации и разрабатывать новые средства для выполнения новых функций обработки файлов данных. Хорошим примером такого подхода может служить система перекрестных ссылок исходного кода ctags, записывающая сведения о местоположении символа в. виде регулярного выражения, подходящего для использования программами поиска.

□ Гибкость. Вы не можете точно предусмотреть заранее, как изобретательные пользователи будут применять вашу программу. Программируя, попытайтесь быть настолько гибким, "насколько это возможно. Старайтесь избегать любых ограничений размеров полей или числа записей. Если можно, пишите программу в расчете на применение в сети, способную выполняться одинаково хорошо при сетевом вызове и на локальной машине. Никогда не думайте, что вы знаете все о потребностях будущего пользователя.

Как вы уже, возможно, знаете, Linux – это свободно распространяемая реализация UNIX-подобного ядра, низкоуровневой сердцевины операционной системы. Поскольку прообразом ОС Linux стала система UNIX, Linux– и UNIX-программы очень похожи. В действительности почти все программы, написанные для ОС UNIX, могут быть скомпилированы и выполнены в ОС Linux. Кроме того, некоторые коммерческие приложения, продаваемые для коммерческих версий UNIX, могут выполняться без изменения их двоичного кода в системах под управлением Linux.

ОС Linux была разработана Линусом Торвальдсом (Linus Torvalds) из Университета г. Хельсинки совместно с программистами UNIX, оказывавшими ему помощь по Интернету. Работа начиналась как хобби, а вдохновителем стала ОС Minix Энди Таненбаума (Andy Tanenbaum), маленькая UNIX-подобная система. Со временем Linux выросла, превратившись в сложную самостоятельную систему. Ее цель – отказ от патентованного кода и применение только свободно распространяемого программного кода.

В настоящее время ОС Linux существует для широкого набора компьютерных систем с разными типами процессоров, включая PC на 16– и 32-битных процессорах Intel x86 и совместимых с ними процессорах; рабочие станции и серверы на процессорах Sun SPARC, IBM PowerPC, AMD Opteron и Intel Itanium и даже некоторые карманные компьютеры PDA и игровые приставки Playstation 2 и 3 фирмы Sony. Если у устройства есть процессор, кто-то где-нибудь пытается добыть ОС Linux, выполняющуюся на этом процессоре!

ОС Linux обязана своим существованием совместным усилиям множества людей. Ядро операционной системы само по себе образует лишь малую часть пригодной к использованию системы разработки. Коммерческие системы UNIX традиционно снабжаются приложениями, обеспечивающими системные сервисы и средства. Для систем Linux подобные дополнительные программы написаны множеством разных программистов и распространяются они свободно.

Linux-сообщество (совместно с другими людьми) поддерживает идею свободного программного обеспечения (ПО), т.е. свободного от ограничений и подчиняющегося Общедоступной лицензии проекта GNU (GNU General Public License, GPL). (GNU означает GNU's Not UNIX (GNU не UNIX).) Несмотря на то, что получение программного обеспечения может быть небесплатным, это ПО может использоваться как угодно и обычно распространяется в виде исходного программного кода.

Фонд свободного программного обеспечения (Free Software Foundation) был организован Ричардом Столлменом (Richard Stallman) – автором GNU Emacs, одного из самых известных текстовых редакторов для ОС UNIX и других систем. Столлмен – автор концепции свободного программного обеспечения и организатор проекта GNU, попытки создания операционной системы и среды разработки, совместимой с ОС UNIX, но не подверженной ограничениям, связанным с торговой маркой UNIX и предоставлением исходного программного кода. В любой момент может оказаться, что проект GNU сильно отличается от UNIX способами поддержки аппаратных средств и управления исполняемыми программами, но он будет продолжать поддерживать приложения в стиле UNIX.

Проект GNU уже снабдил программистское сообщество множеством приложений, сильно напоминающих, компоненты, входящие в системы UNIX. Все эти программы, называемые программным обеспечением GNU, распространяются в соответствии с Общедоступной лицензией GNU (GPL), копию которой можно найти на сайте http://www.gnu.org. В этой лицензии вводится понятие «авторского „лева“ (copyleft)» (в противоположность авторскому праву («copyright»)). Авторское «лево» задумано как препятствие установлению каких-либо ограничений на использование свободного программного обеспечения.

Далее приведены основные примеры ПО проекта GNU, распространяемого в соответствии с лицензией GPL:

□ пакет компиляторов GCC (GNU Compiler Collection), включающий компилятор GNU С;

□ G++ – компилятор С++, включающий как часть GCC;

□ GDB – отладчик на уровне исходного кода;

□ GNU make – версия UNIX-автосборщика make;

□ Bison – генератор синтаксических анализаторов, совместимый с генератором компиляторов UNIX yacc;

□ bash – командная оболочка;

□ GNU Emacs – текстовый редактор и среда разработки.

Кроме того, было разработано и распространено на принципах свободного ПО и под контролем лицензии GPL множество других пакетов, включая электронные таблицы, средства управления программным кодом, компиляторы, интерпретаторы, интернет-средства, программы обработки графических объектов, например, графический редактор Gimp и две законченные объектно-ориентированные среды разработки: GNOME и KDE. Мы обсудим GNOME и KDE в главах 16 и 17.

Сейчас существует такое множество доступного свободного программного обеспечения, что если добавить к нему ядро Linux, можно сказать, что благодаря Linux достигнута основная цель проекта GNU – свободная UNIX-подобная система. Признавая вклад программного обеспечения проекта GNU, многие люди теперь, как правило, называют Linux-системы GNU/Linux.

Более подробную информацию о концепции свободного программного обеспечения можно получить на Web-сайте http://www.gnu.org.

Как мы уже упоминали, Linux – это только ядро. Вы можете получить исходный программный код ядра, откомпилировать его и установить на машину, а затем получить и установить много другого свободного программного обеспечения для завершения установки ОС Linux. Такие установки часто называют системами Linux, т.к. они содержат много программ помимо ядра. Большинство утилит приходит от проекта GNU Фонда свободного ПО.

Понятно, что создание системы Linux только из исходного программного кода – трудное дело. К счастью, многие люди подготовили готовые к установке дистрибутивы (часто называемые разновидностями (flavor)), обычно загружаемые из Интернета или с CD/DVD-накопителей и содержащие не только ядро, но и множество других программных средств и утилит. Часто в их состав входит реализация X Window System – графической оболочки, общей для множества систем UNIX. Дистрибутивы обычно снабжаются программой установки и дополнительной документацией (как правило, все на компакт-дисках), чтобы помочь вам установить собственную систему Linux. К некоторым хорошо известным дистрибутивам, в особенности для семейства процессоров Intel х86, относятся дистрибутивы Red Hat Enterprise Linux и его усовершенствованный сообществом родственник Fedora, Novell SUSE Linux и свободно распространяемый вариант openSUSE, Ubuntu Linux, Slackware, Gentoo и Debian GNU/Linux. Подробную информацию о множестве других дистрибутивов можно найти на Web-сайте DistroWatch по адресу http://distrowatch.com.

Программирование в ОС Linux

Многие думают, что программирование в Linux означает применение языка программирования С. Известно, что ОС UNIX первоначально была написана на С и что большинство UNIX-приложений были написаны на языке С. Но для программистов ОС Linux, или UNIX, С – не единственно возможный вариант. Далее в книге мы назовем пару альтернатив.

Примечание

На самом деле первая версия UNIX была написана в 1969 г. на ассемблере PDP 7. Язык С был задуман Деннисом Ритчи (Dennis Ritchie) примерно в это время, и в 1973 г. он вместе с Кеном Томпсоном (Ken Tompson) по существу переписал на С все ядро UNIX, совершив настоящий подвиг в эпоху разработки системного программного обеспечения на языке ассемблера.

В системах Linux доступен широкий диапазон языков программирования, многие из них свободно распространяются и есть на компакт-дисках или в архивах на FTP– сайтах в Интернете. Далее перечислена часть языков программирования, доступных программистам Linux:

□ Ada;

□ С;

□ С++;

□ Eiffel;

□ Forth;

□ Fortran;

□ Icon;

□ Java;

□ JavaScript;

□ Lisp;

□ Modula 2;

□ Modula 3;

□ Oberon;

□ Objective С;

□ Pascal;

□ Perl;

□ Prolog;

□ PostScript;

□ Python;

□ Ruby;

□ Smalltalk;

□ PHP;

□ Tcl/Tk;

□ Bourne Shell.

В главе 2 мы покажем, как применять оболочку Linux для разработки приложений малого и среднего размера. В оставшейся части книги мы сконцентрируемся главным образом на языке С и уделим основное внимание изучению программных интерфейсов ОС Linux с точки зрения программиста, поэтому мы рассчитываем на знание читателей языка программирования С.