Текст книги "Основы программирования в Linux"

Автор книги: Нейл Мэтью

Соавторы: Ричард Стоунс
сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 67 страниц)

Linux-программы

Linux-приложения представлены файлами двух типов: исполняемыми (executable) и сценариями или пакетными файлами (script). Исполняемые файлы – это программы, которые могут непосредственно выполняться на компьютере; они соответствуют файлам ОС Windows с расширением exe. Сценарии или пакетные файлы – это наборы команд для выполнения другой программой, интерпретатором. Они соответствуют в ОС Windows файлам с расширением bat или cmd или интерпретируемым программам на языке Basic.

ОС Linux не требует, чтобы исполняемые или пакетные файлы имели определенные имена или какие-либо расширения. Для обозначения файла как способной выполняться программы применяются атрибуты файловой системы, которые будут обсуждаться в главе 2. В ОС Linux вы можете заменять пакетные файлы откомпилированными программами (и наоборот), не оказывая влияния на другие программы или пользователей, которые обращаются к ним. На уровне пользователя, по сути, между ними нет разницы.

В процессе регистрации в системе Linux вы взаимодействуете с программой командной оболочки (часто bash), которая запускает программы так же, как это делает оболочка командной строки в ОС Windows. Она находит запрашиваемые вами программы по имени, выполняя поиск файла с тем же именем в заданном наборе каталогов. Каталоги, предназначенные для поиска, хранятся в переменной оболочки PATH, так же как в ОС Windows. Путь поиска (который вы можете пополнять) настраивается вашим системным администратором и обычно содержит стандартные каталоги, в которых сохраняются системные программы. К ним относятся:

□ /bin – бинарные файлы (binaries), программы, применяемые для загрузки системы;

□ /usr/bin – пользовательские библиотеки, стандартные программы, доступные пользователям;

□ /usr/local/bin – локальные библиотеки, программы, относящиеся к этапу инициализации.

Если войти в систему как администратор, например с именем root, можно использовать переменную PATH, которая включает каталоги с хранящимися системными программами, такие как /sbin и /usr/sbin.

Необязательные компоненты операционной системы и приложения сторонних производителей могут устанавливаться в подкаталоги /opt, а добавить инсталляционные программы в вашу переменную PATH можно через пользовательские инсталляционные сценарии.

Примечание

Не стоит удалять каталоги из переменной PATH, пока нет полной уверенности в результате, который будет получен.

Обратите внимание на то, что в ОС Linux, как и UNIX, для разделения отдельных элементов в переменной PATH применяется символ двоеточия (:) в отличие от символа точки с запятой, используемого в ОС MS-DOS и Windows. (ОС UNIX сделала выбор первой, поэтому спрашивайте, почему отличается Windows, а не почему в UNIX все не так!) Далее приведен пример переменной PATH:

/usr/local/bin:/bin:/usr/bin:.:/home/neil/bin:/usr/X11R6/bin

В этой переменной PATH содержатся каталоги для хранения стандартных программ, текущий каталог (.), исходный каталог пользователя и каталог графической оболочки X Window System.

Запомните, в ОС Linux используется прямой слэш (/) для отделения имен каталогов в полном имени файла в отличие от обратного слэша (), применяемого в ОС Windows. И снова ОС UNIX выбирала первой.

Текстовые редакторы

Для ввода и набора примеров программного кода, приведенных в книге, вам понадобится текстовый редактор. В типовых системах Linux есть большой выбор таких программ. У многих пользователей популярен редактор vi.

Оба автора предпочитают Emacs, поэтому мы предлагаем потратить немного времени на знакомство с основными функциями этого мощного редактора. Почти во все дистрибутивы ОС Linux Emacs включен как необязательный пакет, который можно установить. Кроме того, вы можете получить его на Web-сайте GNU по адресу http://www.gnu.org или же взять версию для графических сред разработки на Web-сайте XEmacs по адресу http://www.xemacs.org.

Для того чтобы узнать больше о редакторе Emacs, можно воспользоваться его интерактивным средством обучения. Начните с выполнения команды emacs, затем нажмите комбинацию клавиш + с последующим вводом символа t для доступа к этому средству. У редактора Emacs есть также полное руководство. Для получения дополнительной информации о нем в редакторе Emacs нажмите комбинацию клавиш + с последующим вводом символа i. В некоторых версиях Emacs может быть меню, предоставляющее доступ к средству обучения и полному руководству.

Компилятор языка С

В системах, соответствующих стандарту POSIX, компилятор языка С называется с89. Раньше компилятор языка С назывался просто сс. Шли годы, разные поставщики продавали UNIX-подобные системы с компиляторами С, обладающими разными функциями и параметрами, но очень часто все также названными сс.

Когда создавался стандарт POSIX, выяснилось, что невозможно определить стандартную команду cc, которая была бы совместима со всеми этими разработками.

Вместо этого комитет решил создать новую стандартную команду для компилятора языка С – с89. Если эта команда представлена, она всегда использует одни и те же опции независимо от машины.

В системах Linux, которые на деле пытаются следовать стандартам, можно обнаружить, что все или некоторые из команд с89, cc и gcc ссылаются на системный компилятор языка С, обычно компилятор GNU С или gcc. В системах UNIX компилятор языка С почти всегда называется cc.

В этой книге мы используем gcc, поскольку он поставляется в дистрибутивах Linux и потому что он поддерживает для языка С синтаксис стандарта ANSI. Если когда-нибудь вы обнаружите, что в вашей системе нет gcc, мы советуем получить его и установить. Найти его вы можете по адресу http://www.gnu.org. Всюду, где мы используем в книге команду gcc, просто заменяйте ее подходящей командой вашей системы.

Упражнение 1.1. Ваша первая Linux-программа на языке C

В этом примере вы начнете разработку в ОС Linux с помощью языка С, написав, откомпилировав и выполнив свою первую Linux-программу. Ею, кстати, может стать самая известная из всех программ для начинающих – программа, выводящая сообщение «Hello World» («Привет, мир»).

1. Далее приводится текст файла hello.c:

#include

#include

int main() {

 printf(«Hello Worldn»);

 exit(0);

}

2. Теперь откомпилируйте, скомпонуйте и выполните вашу программу.

$ gcc -о hello.c $ ./hello

Hello World

Как это работает

Вы запустили компилятор GNU С (в Linux, вероятнее всего, он будет доступен и как cc), который оттранслировал исходный код на языке С в исполняемый файл, названный hello. Вы выполнили программу, и она вывела на экран приветствие. Это наипростейший из существующих примеров, но если вы смогли с помощью вашей системы добраться до этого места, то сможете откомпилировать и выполнить и остальные примеры из книги. Если же программа не сработала, убедитесь в том, что в вашей системе установлен компилятор языка С. Например, во многих дистрибутивах Linux есть установочная опция, названная Software Development (Разработка ПО) (или что-то похожее), которую следует выбрать для установки необходимых пакетов.

Поскольку это первая выполненная вами программа, самое время обратить внимание на некоторые основные положения. Программа hello, вероятно, должна быть в вашем исходном каталоге. Если в переменную PATH не включена ссылка на ваш исходный каталог, оболочка не сможет найти программу hello. Более того, если один из каталогов в переменной PATH содержит другую программу, названную hello, вместо вашей будет выполнена эта программа. То же самое произойдет, если такой каталог упомянут в переменной path раньше вашего исходного каталога. Для решения этой потенциальной проблемы можно снабдить имена программ префиксом ./ (например, ./hello). Данный префикс сообщает оболочке о необходимости выполнить программу с заданным именем, находящуюся в текущем каталоге. (Точка – это условное название текущего каталога.)

Если вы забыли опцию -o name, которая указывает компилятору, куда поместить исполняемый файл, компилятор поместит его в файл с именем a.out (что означает ассемблерный вывод). Не забудьте поискать файл с именем a.out, если вы уверены, что скомпилировали программу, а найти ее не можете! Когда ОС UNIX только появилась, пользователи, хотевшие играть в ней в игры, часто запускали их как файл с именем a.out, чтобы не быть пойманными системным администратором, и некоторые установки ОС UNIX традиционно удаляют каждый вечер все файлы с именем a.out.

Маршрутная карта системы разработки

Разработчику ОС Linux важно знать кое-что о том, где размещаются средства и ресурсы разработки. В следующих разделах дан краткий обзор некоторых важных каталогов и файлов.

Приложения

Приложения обычно хранятся в отведенных для них каталогах. Приложения, предоставляемые системой для общего использования, включая средства разработки программ, находятся в каталоге /usr/bin. Приложения, добавленные системными администраторами для конкретного хост-компьютера или локальной сети, часто хранятся в каталоге /usr/local/bin или /opt.

Администраторы предпочитают /opt и /usr/local, потому что они хранят предоставляемые конкретными поставщиками файлы и свежие дополнения отдельно от приложений, предоставляемых системой. Подобная организация хранения файлов может помочь, когда придет время обновлять операционную систему, т.к. в этом случае потребуется сберечь только каталоги /opt и /usr/local. Мы рекомендуем компилировать в ветви иерархии /usr/local только системные приложения общего назначения, предназначенные для запуска и доступа к требуемым файлам. Для разрабатываемых программ и личных приложений лучше всего применять папку в вашем исходном каталоге.

Дополнительные средства и системы программирования могут иметь собственные структуры каталогов и каталоги программ. Важнейшая среди них – графическая оболочка X Window System, которая обычно устанавливается в каталог /usr/X11 или каталог /usr/bin/X11. В дистрибутивах Linux, как правило, применяется версия X.Org Foundation графической оболочки X Window System, базирующаяся на модификации Revision 7 (X11R7). В других UNIX-подобных системах могут быть выбраны иные версии X Window System, устанавливаемые в другие каталоги, например, каталог /usr/openwin для оболочки Open Windows компании Sun в системе Solaris.

Программа системного драйвера компилятора GNU, gcc (которую вы использовали в предыдущем упражнении) обычно помещается в каталог usr/bin или usr/local/bin, но она будет запускать различные поддерживающие компиляцию приложения из других каталогов. Эти каталоги задаются во время компиляции самого компилятора и зависят от типа хост-компьютера. В системах Linux это может быть зависящий от конкретной версии подкаталог /usr/lib/gcc/. На одной из машин одного из авторов во время написания книги это был подкаталог /usr/lib/gcc/i586-suse-linux/4.1.3. В нем хранятся отдельные проходы компилятора GNU C/C++ и специфические заголовочные файлы GNU.

Заголовочные файлы

В процессе программирования на языке С и других языках вам потребуются заголовочные файлы или файлы заголовков для включения определений констант и объявлений вызовов системных и библиотечных функций. В случае языка С эти файлы почти всегда находятся в каталоге /usr/include и его подкаталогах. Заголовочные файлы, зависящие от конкретного воплощения запущенной вами ОС Linux, вы, как правило, найдете в каталогах /usr/include/sys и /usr/include/linux.

У других систем программирования тоже есть заголовочные файлы, хранящиеся в каталогах, которые автоматически находятся соответствующим компилятором. Примерами могут служить каталоги /usr/include/X11 для графической оболочки X Window System и /usr/include/c++ для языка GNU С++.

Вы можете использовать заголовочные файлы из подкаталогов или нестандартных мест хранения, указав флаг -I (для include) в строке вызова компилятора языка С. Например, команда

$ gcc -I/usr/openwin/include fred.c

заставит искать заголовочные файлы, использованные в программе fred.c, в стандартных каталогах и в каталоге /usr/openwin/include. Для получения дополнительных сведений обратитесь к руководству компилятора С (man gcc).

Искать заголовочные файлы с конкретными определениями и прототипами конкретных функций часто удобно с помощью команды grep. Предположим, вам нужно знать имя из директив #define, используемое для возврата из программы статуса завершения. Просто замените каталог на /usr/include и примените grep для поиска предполагаемой части имени следующим образом:

$ grep EXIT_ *.h

...

stdlib.h#define EXIT_FAILURE 1 /*Failing exit status. */

stdlib.h#define EXIT_SUCCESS 0 /*Successful exit status. */

...

$

В этом случае команда grep ищет в каталоге все файлы с именами, заканчивающимися на .h, со строкой EXIT_. В данном примере она нашла (среди прочих) нужное вам определение в файле stdlib.h.

Библиотечные файлы

Библиотеки – это наборы заранее откомпилированных функций, написанных в расчете на многократное использование. Обычно они состоят из наборов связанных функций, предназначенных для решения общей задачи. Примерами могут служить библиотеки функций работы с экраном (библиотеки curses и ncurses) и процедуры доступа к базе данных (библиотека dbm). В последующих главах мы познакомим вас с некоторыми библиотеками.

Стандартные системные библиотеки обычно хранятся в каталогах /lib и /usr/lib. Компилятору языка С (или, точнее, компоновщику) необходимо сообщить, в каких библиотеках искать, поскольку по умолчанию он ищет только в стандартной библиотеке С. Это пережиток, пришедший к нам из того времени, когда компьютеры были медленными и циклы ЦПУ были дороги. Недостаточно поместить библиотеку в стандартный каталог и ждать, что компилятор найдет ее; библиотеки должны следовать очень специфическим правилам именования и быть упомянуты в командной строке.

Имя файла библиотеки всегда начинается с символов lib. Далее следует часть, указывающая на назначение библиотеки (например, с для библиотеки С или m для математической библиотеки). Последняя часть имени начинается с точки (.) и задает тип библиотеки:

□ а – для традиционных статических библиотек;

□ .so – для совместно используемых библиотек (см. далее).

Обычно библиотеки существуют в статическом и совместно используемом форматах, как покажет быстрый просмотр каталога командой ls /usr/lib. Вы можете заставить компилятор искать библиотеку, задав полное имя ее файла или применив флаг -l. Например, команда

$ gcc -о fred fred.c /usr/lib/libm.a

сообщает компилятору о необходимости компилировать файл fred.c и искать разрешения ссылок на функции в библиотеке математических функций в дополнение к стандартной библиотеке С. Аналогичного результата можно добиться с помощью следующей команды:

$ gcc -о fred fred.c -lm

-lm (без пробела между символами l и m) – это сокращенное обозначение (сокращенные формы очень ценятся в UNIX-кругах) библиотеки с именем libm.a, хранящейся в одном из стандартных библиотечных каталогов (в данном случае /usr/lib). Дополнительное преимущество обозначения -lm в том, что компилятор автоматически выберет совместно используемую библиотеку, если она существует.

Несмотря на то что библиотеки, как и заголовочные файлы, обычно хранятся в стандартных каталогах, вы можете добавить каталоги для поиска, указав флаг -L (заглавная буква) в команде вызова компилятора. Например, команда

$ gcc -о x11fred -L/usr/openwin/lib x11fred.c -lX11

будет компилировать и компоновать программу x11fred, используя версию библиотеки libX11, найденную в каталоге /usr/openwin/lib.

Статические библиотеки

Простейшая форма библиотеки – это коллекция объектных файлов, хранящихся вместе в виде, готовом к использованию. Когда программе нужна функция, содержащаяся в библиотеке, в нее включают заголовочный файл, объявляющий эту функцию. За соединение программного кода и библиотеки в единый исполняемый файл отвечают компилятор и компоновщик. Вы только должны применить опцию -l для указания нужных библиотек, отличных от стандартной библиотеки С исполняющей системы.

Статические библиотеки, также называемые архивами, в соответствии с принятыми соглашениями имеют окончание .а. Например, lib/libc.а и /usr/lib/libX11 для библиотек С и X11 соответственно.

Вы можете очень легко создавать и поддерживать собственные статические библиотеки с помощью программы ar (для создания архивов) и отдельно компилировать функции с помощью команды gcc -с. Старайтесь, насколько это возможно, хранить функции в отдельных исходных файлах. Если функциям нужен доступ к общим данным, вы можете поместить данные в один исходный файл и использовать статические переменные, объявленные в этом файле.

Упражнение 1.2. Статические библиотеки

В этом упражнении вы создадите свою маленькую библиотеку, содержащую две функции, и затем используете одну из функций в примере программы. Функции называются fred и bill и просто выводят приветствия.

1. Сначала создайте отдельные исходные файлы (как не удивительно, названные fred.c и bill.c) для каждой функции.

Далее приведен первый из них:

#include

void fred(int arg) {

 printf(«fred: you passed %dn», arg);

}

А это второй:

#include

void bill(char *arg) {

 printf(«bill: you passed %sn», arg);

}

2. Вы можете отдельно откомпилировать эти функции и создать объектные файлы, готовые к включению в библиотеку. Для этого запустите компилятор С с опцией -с, которая помешает компилятору создать законченную программу. Попытка создать законченную программу окажется безуспешной, т.к. вы не определили функцию с именем main.

$ gcc -с bill.с fred.c

$ ls *.o

bill.о fred.о

3. Теперь напишите программу, вызывающую функцию bill. Прежде всего, хорошо бы создать заголовочный файл для вашей библиотеки. В нем будут объявлены функции из вашей библиотеки, и он будет включаться во все приложения, которые захотят применить вашу библиотеку. В файлы fred.c и bill.c тоже хорошо бы включить заголовочный файл, чтобы помочь компилятору обнаружить любые ошибки.

/*

 Это файл lib.h. В кем объявлены пользовательские функции fred and bill

*/[1]1
  Здесь и далее для удобства читателей комментарии переведены на русский язык. Возможность ввода знаков кириллицы зависит от выбранного дистрибутива Linux и текстового редактора. – Пер.


[Закрыть]

void bill(char *);

void fred(int);

4. Вызывающая программа (program.с) может быть очень простой. Она включает заголовочный файл и вызов из библиотеки одной из функций.

#include

#include «lib.h»

int main() {

 bill(«Hello World»);

 exit(0);

}

5. Теперь можно откомпилировать и протестировать программу. Для этого задайте компилятору явно объектные файлы и попросите его откомпилировать ваш файл и связать его с ранее откомпилированным объектным модулем bill.o.

$ gcc -с program.с

$ gcc -о program program.о bill.о

$ ./program

bill: we passed Hello World

$

6. Для создания архива и включения в него ваших объектных файлов используйте программу ar. Программа называется ar, поскольку она создает архивы или коллекции отдельных файлов, помещая их все в один большой файл. Имейте в виду, что программу ar можно применять для создания архивов из файлов любого типа. (Как многие утилиты UNIX, ar – универсальное средство.)

$ ar crv libfоо.a bill.о fred.о

а – bill.о а – fred.о

7. Библиотека создана, и в нее добавлены два объектных файла. Для того чтобы успешно применять библиотеку в некоторых системах, в особенности в производных от Berkeley UNIX, требуется создать для библиотеки индекс содержимого архива или список вложенных в библиотеку функций и переменных (table of contents). Сделайте это с помощью команды ranlib. В ОС Linux при использовании программных средств разработки GNU этот шаг не является необходимым (но и не приносит вреда).

$ ranlib libfoo.a

Теперь ваша библиотека готова к использованию. Вы можете добавить следующий список файлов, которые должен обработать компилятор для создания вашей программы:

$ gcc -о program program.о libfоо.а

$ ./program

bill: we passed Hello world

Можно было бы применить для доступа к библиотеке флаг -l, но т.к. она хранится не в одном из стандартных каталогов, вы должны сообщить компилятору место поиска с помощью флага -L следующим образом:

$ gcc -о program .program.о -L. -lfoo

Опция -L заставляет компилятор искать библиотеки в текущем каталоге (.). Опция -lfoo сообщает компилятору, что нужно использовать библиотеку с именем libfoo.a (или совместно используемую библиотеку libfoo.so, если она есть). Для того чтобы посмотреть, какие функции включены в объектный файл, библиотеку или исполняемую программу, можно применить команду nm. Если вы взглянете на файлы program и libfoo.a, то увидите, что библиотека содержит обе функции: fred и bill, а файл program – только функцию bill. Когда создается программа, в нее включаются из библиотеки только те функции, которые ей действительно нужны. Вставка заголовочного файла, содержащего объявления всех функций библиотеки, не вызывает включения в конечную программу целиком всей библиотеки.

Если вы знакомы с разработкой программ в ОС Windows, то поймете, что в ОС UNIX существует ряд прямых аналогий, перечисленных в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Объектный модуль	func.o	FUNC.OBJ
Статическая библиотека	lib.a	LIB.LIB
Программа	program	PROGRAM.EXE

Совместно используемые библиотеки

У статических библиотек один недостаток – когда вы запускаете много приложений одновременно и все они используют функции из одной библиотеки, в результате образуется множество копий одних и тех же функций в памяти и множество реальных копий функций в самих файлах программ. Это может привести к потреблению большого объема полезной памяти и дискового пространства.

Устранить этот недостаток могут многие системы UNIX и Linux с поддержкой совместно используемых или разделяемых библиотек. Подробное обсуждение совместно используемых библиотек и их реализации в разных ОС не входило в нашу задачу, поэтому ограничимся только реализацией их в ОС Linux.

Совместно используемые библиотеки хранятся в тех же каталогах, что и статические, но у имен файлов совместно используемых библиотек другой суффикс. В типовой системе Linux имя совместно используемой версии стандартной библиотеки математических функций – /lib/libm.so.

Когда программа применяет совместно используемую библиотеку, она компонуется таким образом, что содержит не код функции как таковой, а ссылки на совместно используемый код, который станет доступен на этапе выполнения. Когда окончательная программа загружается в память для выполнения, ссылки на функции разрешаются, и выполняются вызовы совместно используемой библиотеки, которая будет загружаться в память по мере необходимости.

В этом случае система предоставляет возможность многим приложениям одновременно использовать единственную копию совместно используемой библиотеки и хранить ее на диске в единственном экземпляре. Дополнительным преимуществом служит возможность обновления совместно используемой библиотеки независимо от базирующихся на ней приложений. Применяются символические ссылки из файла /lib/libm.so на текущую версию библиотеки (/lib/libm.so.N, где N – основной номер версии – 6 во время написания книги). Когда ОС Linux запускает приложение, она учитывает номер версии библиотеки, требующийся приложению, чтобы не дать ведущим новым версиям библиотеки испортить более старые приложения.

Примечание

Вывод в следующем примере получен из дистрибутива SUSE 10.3. Если вы применяете другой дистрибутив, ваш вывод может слегка отличаться.

В системах Linux программа (динамический загрузчик), отвечающая за загрузку совместно используемых библиотек и разрешение ссылок на функции в клиентских программах, называется ld.so и может присутствовать в системе как ld-linux.so.2, или li-lsb.so.2, или li-lsb.so.3. Дополнительные каталоги поиска совместно используемых библиотек настраиваются в файле /etc/ld.so.conf, который после внесения изменений (например, если добавляются совместно используемые библиотеки X11 при установке графической оболочки X Window System) следует обработать командой ldconfig.

Запустив утилиту ldd, вы можете увидеть, какие совместно используемые библиотеки требуются программе. Например, если вы попытаетесь выполнить утилиту для приложения из нашего примера, то получите следующие строки:

$ ldd program

  linux-gate.so.1 => (0xffffe000)

  libc.so.6 => /lib/libc.so.6 (0xb7db4000)

  /lib/ld-linux.so.2 (0xb7efc000)

В этом случае вы видите стандартную библиотеку С (libc) как совместно используемую (.so). Программе требуется основная версия 6. В других системах UNIX принимаются аналогичные меры для получения доступа к совместно используемым библиотекам. Подробную информацию можно найти в системной документации.

Во многом совместно используемые библиотеки аналогичны динамически подключаемым библиотекам в ОС Windows. Библиотеки с расширением .so соответствуют файлам с расширением dll и требуются во время выполнения, а библиотеки с расширением .а аналогичны файлам с расширением lib, которые включаются в исполняемые программы.