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【Linux系统编程】初识系统编程

news 2025/9/15 7:02:31

- 一、什么是系统编程
- - 1. 系统编程的定义
  - 2. 系统编程的特点
  - 3. 系统编程的应用领域
  - 4. 系统编程的核心概念
  - 5. 系统编程的工具和技术
- 二、操作系统四大基本功能
- - 1. 进程管理（Process Management）
  - 2. 内存管理（Memory Management）
  - 3. 文件系统管理（File System Management）
  - 4. 设备管理（Device Management）
- 三、计算机系统分层
- - 1. 硬件层（Hardware Layer）
  - 2. 操作系统层（Operating System Layer）
  - 3. 系统软件层（System Software Layer）
  - 4. 应用软件层（Application Software Layer）
  - 5. 用户层（User Layer）
- 四、我们如何使用呢
- - 1.系统调用接口
  - 2.函数库
  - 3.shell

一、什么是系统编程

系统编程（System Programming）是计算机科学中的一个重要领域，专注于开发与计算机硬件和操作系统直接交互的软件。它涉及底层操作、资源管理、系统服务的实现，以及对硬件资源的直接控制。
系统编程（System Programming）是计算机科学中的一个重要领域，专注于开发与计算机硬件和操作系统直接交互的软件。它涉及底层操作、资源管理、系统服务的实现，以及对硬件资源的直接控制。以下是系统编程的详细介绍：

1. 系统编程的定义

系统编程是指编写与操作系统内核、硬件设备、系统资源（如内存、CPU、I/O设备）直接交互的软件。它的主要目标是提供高效、可靠的基础设施，以支持上层应用程序的运行。

与应用程序编程的区别：
- 应用程序编程：关注用户功能（如Web开发、移动应用开发）。
- 系统编程：关注底层功能（如内存管理、进程调度、设备驱动）。

2. 系统编程的特点

与硬件和操作系统紧密相关：
- 直接调用操作系统提供的API（如Linux的系统调用）。
- 直接操作硬件资源（如内存、寄存器、设备控制器）。
高效性和性能优化：
- 系统软件是其他应用程序运行的基础，因此对性能要求极高。
- 需要优化代码以减少资源占用和提高执行效率。
低级别语言：
- 通常使用C、C++、汇编语言等低级语言，因为它们提供了对硬件的直接控制能力。
- 高级语言（如Python、Java）通常不适合系统编程，因为它们的抽象层次较高。
复杂性和难度：
- 涉及复杂的底层逻辑，如并发控制、内存管理、错误处理等。
- 调试和测试系统程序比普通应用程序更具挑战性。

3. 系统编程的应用领域

操作系统开发：
- 编写操作系统内核、文件系统、进程调度器等。
- 例如，Linux、Windows、macOS等操作系统的开发。
设备驱动程序：
- 编写硬件设备的驱动程序，使操作系统能够与硬件通信。
- 例如，显卡驱动、网络适配器驱动等。
嵌入式系统：
- 为嵌入式设备（如智能家居、工业控制器）编写固件和底层软件。
- 例如，物联网设备的开发。
系统工具和实用程序：
- 编写系统管理工具，如编译器、调试器、网络协议栈等。
- 例如，GCC编译器、Wireshark网络分析工具。
虚拟化和容器技术：
- 实现虚拟机管理程序（如KVM、Xen）和容器引擎（如Docker）。
- 例如，云计算平台的基础设施开发。

4. 系统编程的核心概念

系统调用（System Call）：
- 应用程序通过系统调用请求操作系统提供服务，如文件操作、进程管理、网络通信等。
- 例如，在Linux中，open()、read()、write()等函数都是系统调用。
内存管理：
- 管理物理内存和虚拟内存，包括内存分配、释放、分页、分段等。
- 例如，C语言中的malloc()和free()函数。
进程和线程：
- 管理进程的创建、调度、同步和通信。
- 例如，Linux中的fork()、exec()、pthread_create()等函数。
文件系统：
- 实现文件的存储、检索和管理。
- 例如，Linux中的ext4、NTFS等文件系统。
网络编程：
- 实现网络协议的栈和通信机制。
- 例如，TCP/IP协议栈、Socket编程。
中断处理：
- 处理硬件中断，以响应外部事件（如键盘输入、网络数据到达）。
- 例如，Linux中的中断处理程序（ISR）。
并发和同步：
- 管理多个进程或线程的并发执行，确保数据一致性和资源竞争的正确处理。
- 例如，使用互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）等同步机制。

5. 系统编程的工具和技术

编程语言：
- C、C++、汇编语言是系统编程的主要语言。
- Rust也逐渐成为系统编程的热门选择，因为它提供了内存安全性。
开发工具：
- 编译器：GCC、Clang
- 调试器：GDB、LLDB
- 性能分析工具：Valgrind、Perf
操作系统API：
- Linux系统调用：syscall、open、read、write
- Windows API：CreateProcess、ReadFile、WriteFile
虚拟化和容器技术：
- 虚拟机管理程序：KVM、Xen
- 容器引擎：Docker、Kubernetes

二、操作系统四大基本功能

1. 进程管理（Process Management）

操作系统负责创建、调度、终止进程，并管理进程之间的通信和同步。
确保CPU资源的高效利用，通过进程调度算法（如先来先服务、短作业优先、时间片轮转等）分配CPU时间。

2. 内存管理（Memory Management）

操作系统管理计算机的主存（RAM），负责分配和回收内存空间。
实现虚拟内存技术，允许程序使用比物理内存更大的地址空间，并通过页面置换算法（如FIFO、LRU等）管理内存页面。

3. 文件系统管理（File System Management）

操作系统提供文件存储、检索、组织和保护的功能。
管理文件的创建、删除、读写和权限控制，确保数据的安全性和一致性。

4. 设备管理（Device Management）

操作系统管理计算机的硬件设备，包括输入输出设备（如键盘、鼠标、打印机等）。
通过设备驱动程序与硬件交互，提供设备的中断处理、缓冲和调度功能。

三、计算机系统分层

在这里插入图片描述
计算机系统通常可以分为多个层次，每一层都有其特定的功能和职责。

1. 硬件层（Hardware Layer）

这是计算机系统的最底层，包括物理硬件设备，如处理器（CPU）、内存（RAM）、硬盘、输入输出设备（键盘、鼠标、显示器等）。
硬件层提供计算机系统运行所需的物理资源。

2. 操作系统层（Operating System Layer）

操作系统层位于硬件层之上，负责管理硬件资源并提供基本的系统服务。
主要功能包括进程管理、内存管理、文件系统管理、设备管理等。

3. 系统软件层（System Software Layer）

这一层包括各种系统工具和库，如编译器、调试器、链接器、系统库等。
系统软件层为应用程序提供运行环境和开发支持。

4. 应用软件层（Application Software Layer）

这是最上层，包括各种应用程序，如办公软件、浏览器、游戏、数据库管理系统等。
应用软件层直接为用户提供服务，满足用户的具体需求。

5. 用户层（User Layer）

用户层包括最终用户，他们通过应用软件与计算机系统进行交互。
用户层是计算机系统的最终服务对象。

这些层次之间通过接口进行交互，每一层都依赖于下层的服务，并为上层提供支持。这种分层结构使得计算机系统的设计、开发、维护和扩展更加模块化和高效。

四、我们如何使用呢

1.系统调用接口

操作系统提供的函数，我们称之为系统调用函数或系统调用接口，比如ls命令就是一个封装好的程序（和我们知道的a.out本质上没区别），会调用内核接口，fopen()也会调用系统库中的open()

应用程序不能直接访问内核代码和数据，只能通过系统调用接口

2.函数库

1）标准C库下的printf()、scanf()等，可以跨平台使用。windows和linux都可以使用。
绝大多数标准C库的函数会调用操作系统的提供的函数，比如printf()会调用系统库中的write()，再比如fopen()调用系统库中的open()
2）但是linux系统库下的函数不能跨平台使用，我们这里使用linux提供的。

3.shell

俗称壳，shell是用户和系统交互的媒介，终端窗口不等于shell，只是打开终端会运行shell。我们敲的命令比如ls，借助shell就可以执行。shell是个统称，不同的Linux发行版运行shell不同，比如我们进程在Ubuntu运行的shell就是bash。

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