Что такое Linux?
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!
Проект GNU и Фонд свободного ПО
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.
Дистрибутивы Linux
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.
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 <Ctrl>+<H> 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 <Ctrl>+<H> 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 <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), 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.