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.

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.

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.

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.

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.

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

□ /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

PATH

Необязательные компоненты операционной системы и приложения сторонних производителей могут устанавливаться в подкаталоги /opt, а добавить инсталляционные программы в вашу переменную

PATH

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

PATH

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

В этой переменной

PATH

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.

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

t

i

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

Вместо этого комитет решил создать новую стандартную команду для компилятора языка С —

с89

В системах Linux, которые на деле пытаются следовать стандартам, можно обнаружить, что все или некоторые из команд

с89

cc

gcc

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

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 <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main() {

 printf("Hello World\n");

 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

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

PATH

./

./hello

Если вы забыли опцию

-o name

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 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.

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

$ 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.

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

l

m

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.

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

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

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 <stdio.h>

void fred(int arg) {

 printf("fred: you passed %d\n", arg);

}

А это второй:

#include <stdio.h>

void bill(char *arg) {

 printf("bill: you passed %s\n", 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

$ gcc -с bill.с fred.c

$ ls *.o

bill.о fred.о

3. Теперь напишите программу, вызывающую функцию

bill

/*

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

*/[1]

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 <stdlib.h>

#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

$ 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

-L

$ gcc -о program .program.о -L. -lfoo

Опция

-L

-lfoo

nm

fred

bill

bill

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

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

$ 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.

Подавляющее большинство систем Linux хорошо документировано в отношении системных программных интерфейсов и стандартных утилит. Это на самом деле так, потому что со времени первых систем UNIX программистов призывали снабжать свои приложения справочными материалами или описаниями. Эти справочные страницы (man pages), которые иногда предоставлялись в печатной форме, всегда доступны и в электронном виде.

Доступ к интерактивным справочным руководствам обеспечивает команда

man

Комплект программного обеспечения проекта GNU и другое свободное ПО используют интерактивную систему документации, названную info. Вы можете просмотреть всю документацию в интерактивном режиме с помощью специальной программы info или команды

info

Упражнение 1.3. Справочные руководства и система info

Давайте познакомимся с документацией для компилятора GNU С (gcc).

1. Сначала посмотрим на справочное руководство.

$ man gcc

GCC(1)                GNU                GCC(1)

NAME

       gcc — GNU project С and С++ compiler

SYNOPSIS

       gcc [-с|-S|-E] [-std=standard]

           [-g] [-pg] [-Olevel]

           [-Wwarn...] [-pedantic]

           [-Idir...] [-Ldir...]

           [-Dmacro[=defn]...] [-Umacro]

           [-foption...] [-mmachine-option...]

           [-о outfile] infile...

       Only the most useful options are listed here; see below

       for the remainder. g++ accepts mostly the same options as

       gcc.

DESCRIPTION

       When you invoke GCC, it normally does preprocessing, com-

       pilation, assembly and linking. The "overall options"

       allow you to stop this process at an intermediate stage.

       For example, the -c option says not to run the linker.

       Then the output consists of object files output by the assembler.

       Other options are passed on to one stage of processing.

       Some options control the preprocessor and others the com-

       piler itself. Yet other options control the assembler and

       linker; most of these are not documented here, since we

       rarely need to use any of them.

...

Если хотите, можно прочесть об опциях, поддерживаемых транслятором. В этом случае справочное руководство очень длинное, хотя содержит лишь малую часть полной документации по компилятору GNU С (и С++).

При чтении справочных страниц можно использовать клавишу <Пробел> для перехода к следующей странице, клавишу <Enter> (или клавишу <Return>, если на вашей клавиатуре применяется эта клавиша вместо <Enter>) для перехода к следующей строке и клавишу <q> для полного выхода из программы.

2. Для получения более подробной информации о компиляторе GNU С можно попробовать применить команду

info

$ info gcc

File: gcc.info. Node: Top, Next: G++ and GCC, Up: (DIR)

Introduction

************

   This manual documents how to use the GNU compilers, as well as their

features and incompatibilities, and how to report bugs. It corresponds to

GCC version 4.1.3. The internals of the GNU compilers, including how to port

them to new targets and some information about how to write front ends for

new languages, are documented in a separate manual.

*Note Introduction: (gccint)Top.

*Menu:

* G++ and GCC:: You can compile С or С++ Applications.

* Standards:: Language standards supported by GCC,

* Invoking GCC:: Command options supported by `gcc'.

* С Implementation:: How GCC implements theISO С specification.

* С Extensions:: GNU extensions to the С language family.

* С++ Extensions:: GNU extensions to the С++ language.

* Objective-C:: GNU Objective-C runtime features.

* Compatibility:: Binary Compatibility

--zz-Info: (gcc.info.gz)Top, 39 lines --Top--------------------------

Welcome to Info version 4.8. Type ? for help, m for menu item.

Вам предоставляется длинное меню опций, которые можно выбирать для перемещения в полной текстовой версии документации. Элементы меню и иерархия страниц позволяют находить нужные разделы в очень большом документе. На бумаге документация к компилятору GNU С занимает многие сотни страниц.

У системы info есть собственная справка, конечно, в формате страниц info. Если нажать комбинацию клавиш <Ctrl>+<H>, можно познакомиться со справочным руководством, включающим средства обучения пользованию системой info. Программа info входит в состав многих дистрибутивов Linux и может устанавливаться в других ОС UNIX.

В этой вводной главе мы познакомились с программированием в ОС Linux и другими компонентами ОС Linux, общими с патентованными системами UNIX. Мы отметили огромное разнообразие систем программирования, доступных UNIX-разработчикам. Мы также представили простые программу и библиотеку, чтобы показать базовые средства языка С и сравнить их с эквивалентными средствами в ОС Windows.

Примечания:

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.