Как пишут linux системы

Программирование под Linux

Все действия в операционной системе выполняются с помощью программ, поэтому многим новичкам интересно не только использовать чужие программы, а писать свои. Многие хотят внести свой вклад в кодовую базу OpenSource.

Это обзорная статья про программирование под Linux. Мы рассмотрим какие языки используются чаще всего, рассмотрим основные понятия, а также возможности, разберем как написать простейшую программу на одном из самых популярных языков программирования, как ее вручную собрать и запустить.

1. На чем пишут программы?

Исторически сложилось так, что ядро Unix было написано на языке Си. Даже более того, этот язык был создан для написания ядра Unix. Поскольку ядро Linux было основано на ядре Minix (версии Unix), то оно тоже было написано на Си. Поэтому можно сказать, что основной язык программирования для Linux это Си и С++. Такая тенденция сохранялась на протяжении долгого времени.

А вообще, писать программы для Linux можно почти на любом языке начиная от Java и Python и заканчивая С# и даже Pascal. Для всех языков есть компиляторы и интерпретаторы. Писать программы на С++ сложно, а Си многими уже считается устаревшим, поэтому множество программистов используют другие языки для написания программ. Например, множество системных инструментов написаны на Python или Perl. Большинство программ от команды Linux Mint, установщик Ubuntu и некоторые скрипты apt написаны на Python. Множество скриптов, в том числе простые скрипты оптимизации написаны на Perl. Иногда для скриптов используется Ruby. Это скрипты OpenShift или, например, фреймворк Metasploit. Некоторые разработчики кроссплатформенных программ используют Java. Но основные компоненты системы написаны все же на Си.

Мы не будем рассматривать основы Си в этой статье. Си — сложный язык и вам понадобится прочитать как минимум одну книгу и много практиковаться чтобы его освоить. Мы рассмотрим как писать программы на Си в Linux, как их собирать и запускать.

2. Библиотеки

Естественно, что если вам необходимо вывести строку или изображение на экран, то вы не будете напрямую обращаться к видеокарте. Вы просто вызовете несколько функций, которые уже реализованы в системе и передадите им данные, которые нужно вывести на экран. Такие функции размещаются в библиотеках. Фактически, библиотеки — это наборы функций, которые используются другими программами. В них находится такой же код, как и в других программах, разница лишь в том, там необязательно присутствие функции инициализации.

Библиотеки делятся на два типа:

• Статические — они связываются с программой на этапе компиляции, они связываются и после этого все функции библиотеки доступны в программе как родные. Такие библиотеки имеют расширение .a;
• Динамические — такие библиотеки встречаются намного чаще, они загружены в оперативную память, и связываются с программной динамически. Когда программе нужна какая-либо библиотека, она просто вызывает ее по известному адресу в оперативной памяти. Это позволяет экономить память. Расширение этих библиотек — .so, которое походит от Shared Object.

Таким образом, для любой программы на Си нужно подключать библиотеки, и все программы используют какие-либо библиотеки. Также важно заметить, на каком языке бы вы не надумали писать, в конечном итоге все будет сведено к системным библиотекам Си. Например, вы пишите программу на Python, используете стандартные возможности этого языка, а сам интерпретатор уже является программой на Си/С++, которая использует системные библиотеки для доступа к основным возможностям. Поэтому важно понимать как работают программы на Си. Конечно, есть языки, вроде Go, которые сразу переводятся на ассемблер, но там используются принципы те же, что и здесь. К тому же системное программирование linux, в основном, это Си или С++.

3. Процесс сборки программы

Перед тем как мы перейдем к практике и создадим свою первую программу, нужно разобрать как происходит процесс сборки, из каких этапов он состоит.

Каждая серьезная программа состоит из множества файлов, это файлы исходников с расширением .c и заголовочные файлы с расширением .h. Такие заголовочные файлы содержат функции, которые импортируются в программу из библиотек или других файлов .с. Перед тем. как компилятор сможет собрать программу и подготовить ее к работе, ему нужно проверить действительно ли все функции реализованы, доступны ли все статические библиотеки и собрать ее в один файл. Поэтому, первым делом выполняется препроцессор, который собирает исходный файл, выполняются такие инструкции, как include для включения кода заголовочных файлов.

На следующем этапе к работе приступает компилятор, он выполняет все необходимые действия над кодом, разбирает синтаксические конструкции языка, переменные и преобразовывает все это в промежуточный код, а затем в код машинных команд, который мы можем потом посмотреть на языке ассемблера. Программа на этом этапе называется объектный модуль и она еще не готова к выполнению.

Далее к работе приступает компоновщик. Его задача связать объектный модуль со статическими библиотеками и другими объектными модулями. Для каждого исходного файла создается отдельный объектный модуль. Только теперь программа может быть запущена.

А теперь, давайте рассмотрим весь єтот процесс на практике с использованием компилятора GCC.

4. Как собрать программу

Для сборки программ в Linux используется два типа компиляторов, это Gcc и Clang. Пока что GCC более распространен, поэтому рассматривать мы будем именно его. Обычно, программа уже установлена в вашей системе, если же нет, вы можете выполнить для установки в Ubuntu:

sudo apt install gcc

Перед тем как мы перейдем к написанию и сборке программы, давайте рассмотрим синтаксис и опции компилятора:

$ gcc опции исходный_файл_1.с -o готовый_файл

С помощью опций мы говорим утилите что нужно сделать, какие библиотеки использовать, затем просто указываем исходные файлы программы. Давайте рассмотрим опции, которые будем сегодня использовать:

• -o — записать результат в файл для вывода;
• -c — создать объектный файл;
• -x — указать тип файла;
• -l — загрузить статическую библиотеку.

Собственно, это все самое основное, что нам понадобится. Теперь создадим нашу первую программу. Она будет выводить строку текста на экран и чтобы было интереснее, считать квадратный корень из числа 9. Вот исходный код:

int main() <
printf(«losst.ru\n»);
printf(«Корень: %f\n», sqrt(9));
return 0;
>

Я специально добавил функцию корня чтобы показать как работать с библиотеками. Сначала нужно собрать объектный файл. Перейдите в папку с исходниками и выполните:

gcc -c program.c -o program.o

Это этап компиляции, если в программе нет ошибок, то он пройдет успешно. Если исходных файлов несколько, то такая команда выполняется для каждого из них. Далее выполняем линковку:

gcc -lm program.o -o program

Обратите внимание на опцию -l, с помощью нее мы указываем какие библиотеки нужно подключить, например, здесь мы подключаем библиотеку математических функций, иначе компоновщик просто не найдет где есть та или иная функция. Только после этого можно запустить программу на выполнение:

Конечно, все эти действия могут быть выполнены и с помощью различных графических сред, но выполняя все вручную, вы можете лучше понять как все работает. С помощью команды ldd вы можете посмотреть какие библиотеки использует наша программа:

Это две библиотеки загрузчика, стандартная libc и libm, которую мы подключили.

5. Автоматизация сборки

Когда мы рассматриваем программирование под Linux невозможно не отметить систему автоматизации сборки программ. Дело в том, что когда исходных файлов программы много, вы не будете вручную вводить команды для их компиляции. Можно записать их один раз, а затем использовать везде. Для этого существует утилита make и файлы Makefile. Этот файл состоит из целей и имеет такой синтаксис:

цель: зависимости
команда

В качестве зависимости цели может быть файл или другая цель, основная цель — all, а команда выполняет необходимые действия по сборке. Например, для нашей программы Makefile может выглядеть вот так:

program: program.o
gcc -lm program.o -o program

program.o: program.c
gcc -c program.c -o program.o

Затем вам достаточно выполнить команду make для запуска компиляции, только не забудьте удалить предыдущие временные файлы и собранную программу:

Программа снова готова и вы можете ее запустить.

Выводы

Создание программ Linux очень интересно и увлекательно. Вы сами убедитесь в этом, когда немного освоитесь в этом деле. Сложно охватить все в такой небольшой статье, но мы рассмотрели самые основы и они должны дать вам базу. В этой статье мы рассмотрели основы программирования в linux, если у вас остались вопросы, спрашивайте в комментариях!

Курс программирования на Си под Linux:

Источник

Что такое Linux? История создания Linux

Обновл. 27 Июл 2021 |

Раньше компьютеры были такими большими, что могли занимать целую комнату или даже дом. Вы только представьте себе, как трудно было ими управлять. Более того, каждый компьютер имел свою собственную операционную систему, в результате чего работать с такими машинами было жутко неудобно. Программное обеспечение таких компьютеров было узкоспециализированным, и не могло работать на другом компьютере. Не говоря уже о том, что подобная техника стоила таких невообразимо больших денег, что обычные люди не могли себе этого позволить.

В качестве решения вопроса с операционной системой компанией AT&T была создана операционная система Unix, которая дала старт возникновению открытого программного обеспечения и созданию Linux. Но давайте по порядку.

История возникновения Unix

В 1969 году команда разработчиков в лице Кена Томпсона, Денниса Ритчи и Дугласа Макилроя из исследовательского центра «Bell Labs» компании AT&T начала проект по созданию единой операционной системы (сокр. «ОС») для всех компьютеров, назвав её — «Unix». Первая версия системы была написана на Ассемблере. В 1972 году для того, чтобы переписать систему на более простой язык, Деннис Ритчи создает язык программирования Си, благодаря чему, 15 октября 1973 года выходит новая версия Unix (четвертая), ядро которой было переписано на Си. А через 2 года (в 1975 году) появляется уже полностью написанная на языке Си редакция Unix (пятая).

Долгое время операционная система являлась лишь исследовательским проектом, но в 1973 году проходит конференция Ассоциации по вычислительной технике (сокр. «ACM» от «Association for Computing Machinery»), на которой создатели Unix рассказывают о своей системе, и к ним сразу же начинают обращаться люди с просьбой поделиться её копией. И тут стоит отметить одну очень важную историческую деталь, которая сыграла свою роль в дальнейшем развитии событий. Дело в том, что в 1956 году компания AT&T (являющаяся на тот момент монополистом на американском рынке местной и междугородней связи) завершает очередное разбирательство с федеральными властями и антимонопольным комитетом по поводу своего монопольного положения, результатом которого становится подписание соглашения, накладывающее на AT&T ограничения по продажи продуктов и услуг, не связанных напрямую с телефонами и телекоммуникациями. А это значит, что Unix не могла продаваться всем желающим её заполучить. В связи с этим фактом, распространение исходных кодов системы Unix происходило абсолютно бесплатно.

Первоначально Unix использовалась в основном в университетах и крупных финансовых корпорациях. К 1978 году насчитывалось около 600 машин с установленной на них системой Unix.

Появление проекта GNU

В восьмидесятые годы 20 века многие компании, в числе которых IBM и HP, начали создавать свои собственные (в том числе и коммерческие) версии системы Unix. Это привело к путанице дистрибутивов Unix. И к тому же фирмы, продающие свои дистрибутивы, прямо запрещали распространять их исходные коды. Из-за этого другие программисты не могли применять уже внедренные к тому моменту новые компоненты системы, и им приходилось писать их заново.

В 1982 году программист из Массачусетского технологического института (MIT) Ричард Столлман сталкивается с проблемой того, что существующая на тот момент коммерческая лицензия программного обеспечения, с которым он вынужден работать, ограничивает свободу своего использования и не позволяет Столлману обмениваться исходными кодами ПО даже в стенах института.

Поэтому, в 1983 году, с целью создать доступную полноценную Unix-подобную операционную систему с открытыми исходными кодами, обмениваться которой смогут все желающие, он начинает разработку проекта GNU (сокр. от «GNU is Not Unix»).

В рамках проекта GNU создаются необходимые для разработки ядра системы компоненты: текстовый редактор Emacs, набор компиляторов gcc, интерпретатор bash, архиватор gzip, утилиты sed, gawk, Autoconf и многие другие. Помимо этого, в 1988 году с целью юридически закрепить за пользователями права на копирование, модифицирование и распространение программ и исходных кодов проекта GNU, Столлманом публикуется лицензия GNU GPL (сокр. от «GNU General Public License» = «Универсальная общественная лицензия GNU»). Однако, несмотря на все его успехи, даже спустя 8 лет после старта проекта, не хватало самого важного компонента операционной системы — её ядра…

История создания Linux

В январе 1991 года, финский студент Линус Торвальдc, находясь под впечатлением от купленной им книги «Проектирование и реализация операционных систем» автора Эндрю С. Таненбаума, с целью детального изучения концепций и строения ОС Unix, решает купить новый компьютер на базе процессора Intel 80386, на который ставит разработанную Таненбаумом учебную ОС Minix.

Но учебная система — она на то и учебная, что обладает рядом недостатков. В частности, в Minix не только была плохая эмуляция терминала, но и не было возможности перевести в фоновый режим программу, которой временно не пользуешься.

И тогда в августе 1991 года Торвальдс объявляет в сети Usenet о том, что создает свою собственную (свободную) операционную систему с открытыми исходными кодами — Linux. Стоит отметить, что в тот момент речь еще не шла о полноценной системе, скорее это был её прообраз в виде ядра.

17 сентября того же 1991 года, без каких-либо особо публичных объявлений, выходит Linux версии 0.01.

Вскоре после этого, 5 октября, Торвальдс представляет версию 0.02, ставшей первой «официальной» версией своей ОС.

А уже 16 апреля 1994, когда, по мнению Линуса, система стала полностью работоспособной, вышел первый, после более чем двух лет развития, мажорный релиз системы — Linux 1.0.

Примечание: Изначально ОС называлась Freax, что является гибридом от английских слов «freak» (чудак) и «free» (бесплатный) с окончанием X, как дань операционной системе Unix. Однако имя «Linux» системе дал Ари Леммке (Ari Lemmke), по просьбе Торвальдса разместивший ОС на FTP-сервере университета в директории linux , а не freax .

Открытие исходных кодов операционной системы сыграло решающую роль в дальнейшем развитии Linux. Но необходимо все-таки помнить, что технически Linux — это только лишь ядро, без сопутствующих прикладных программ. Полноценной ОС его делает сопутствующее программное обеспечение. Пока роль такого программного обеспечения играли компоненты учебной системы Таненбаума.

Позже, когда Linux немного «окреп и встал на ноги», приложения из проекта GNU заменили соответствующие программы из Minix, так как лицензия (GNU GPL) на исходные коды программ проекта GNU была более удобна для применения в молодой операционной системе.

Таким образом, миру явилась полноценная работающая операционная система под названием «GNU/Linux», которую мы привыкли называть просто «Linux», состоящая из ядра Linux, написанного Торвальдсом, и окружающего программного обеспечения, созданного в рамках проекта Столлмана, GNU.

Что такое Linux?

Linux — это семейство Unix-подобных операционных систем, использующих ядро Linux, которое разработал финно-американский программист Линус Торвальдс. ОС, использующие ядро Linux, называются дистрибутивами Linux, и они являются такими же операционными системами как Microsoft Windows или Apple macOS, но с одной очень важной особенностью, а именно — их исходные коды являются открытыми, так как они распространяются под лицензией GNU GPL, которая подразумевает создание свободного и открытого программного обеспечения (open source software). Это означает, что у любого пользователя есть право изучать и изменять исходный код.

Примечание: Стоит отметить, что есть также и платные дистрибутивы Linux, например, Red Hat Enterprise Linux, Astra Linux Special Edition и др.

Официальным талисманом Linux с 1996 года является пингвин Tux (сокр. от «Torvalds UniX«). Идею использовать пингвина в качестве талисмана Linux выдвинул создатель этого ядра Линус Торвальдс.

Пингвин Tux — талисман Linux

GNU/Linux или Linux?

В сообществе программистов существует спор об именовании операционных систем, использующих ядро Linux и программное обеспечение, разработанное под лицензией GNU GPL. Поскольку ядро Linux само по себе не является работающей операционной системой, то многие предпочитают использовать термин «GNU/Linux».

Примечание: Поскольку статьи цикла «Уроки по Linux» имеют цель донести простыми словами о Linux-системах и их использовании для начинающих, то ради сохранения простоты и лаконичности мы будем использовать термин «Linux», обозначающий операционные системы, работающие на базе ядра Linux.

Вы же можете использовать как термин «Linux», так и термин «GNU/Linux».

Архитектура Linux-систем

На следующем рисунке показана архитектура Linux-систем:

«Железо» — аппаратное обеспечение компьютера (процессор, видеокарта, оперативная память и пр.) со всеми его периферийными устройствами.

Ядро — является основным компонентом операционной системы, взаимодействует непосредственно с аппаратным обеспечением, играя роль посредника между низкоуровневым «железом» и компонентами верхнего уровня.

Оболочка (или «shell», «командный интерпретатор») — интерфейс для взаимодействия между пользователями системы и ядром ОС, абстрагирующий внутреннее устройство системы. Принимает команды от пользователей и запускает на выполнение соответствующие функции.

Утилиты (vi, cat, sed, date, компиляторы и др.) — служебные программы, которые предоставляют пользователю большую часть функциональных возможностей операционной системы.

Ядро Linux

Ядро — это своего рода главная программа, являющаяся основной частью операционной системы. Оно выступает в роли посредника между устройствами компьютера (процессором, видеокартой, оперативной памятью и т.д.) и его программным обеспечением, абстрагируя от обычных программ и пользователей сложную, низкоуровневую работу с «железом» компьютера, предоставляя взамен простой, понятный и удобный в использовании интерфейс. Для этого в код ядра были включены драйверы устройств, которые могут как загружаться в память вместе с ядром ОС, так и подключаться по мере возникновения потребности в ресурсах необходимого устройства.

Примечание: Ядро Linux было разработано в 1991 году программистом Линусом Торвальдсом. Об этом снят документальный фильм «Revolution OS» (2001 г.).

Как вы наверняка знаете, на компьютере может быть запущено сразу несколько программ: какие-то из них работают в фоновом режиме, другие могут ожидать определенных действий от пользователя, а третьим необходимо получать информацию из другой запущенной программы. В такой ситуации именно ядро берет на себя функцию оптимального распределения ресурсов компьютера между запущенными программами и организацию параллельной работы множества различных процессов. Оно первым загружается в оперативную память компьютера и всегда находится в запущенном состоянии, постоянно взаимодействуя с его аппаратным обеспечением и установленными программами.

Как правило, большинство ядер делятся на три типа:

Микроядро — это ядро, состоящее из нескольких подгружаемых в память по мере надобности независимых модулей, выполняющихся в отдельных адресных пространствах. По сути, в таком варианте исполнения оно не сильно отличается от обычных прикладных программ. К достоинствам данного ядра можно отнести теоретически большую надежность в сравнении с другими архитектурами (в действительности же не всё так радужно и гладко) и его модульность (легкость в подключении дополнительных частей ядра). К минусам микроядерной архитектуры относится то, что ядро, построенное по такой схеме, получается очень медленным (ведь ему нужно постоянно переключаться между отдельными частями).

Монолитное ядро — это полная противоположность микроядра, т.к. в памяти компьютера всегда находится весь (или почти весь) код ядра, вследствие чего скорость его работы выше в сравнении с микроядром.

Гибридное ядро — это ядро, сочетающее в себе элементы как монолитной, так и микроядерной архитектур.

Ядро Linux хоть и относится к монолитным ядрам, но оно также заимствует и некоторые идеи из микроядерной архитектуры, что означает, что вся операционная система работает в пространстве ядра, а драйвера устройств (в виде модулей) могут быть легко загружены (или выгружены) прямо во время работы операционной системы.

Заключение

Linux поддерживает целый ряд аппаратных устройств от телефонов и до суперкомпьютеров. Каждая операционная система на базе ядра Linux имеет ядро Linux и набор ПО для управления аппаратными ресурсами компьютера.

На следующих уроках мы детально рассмотрим тему лицензии GNU GPL, сравним Linux и Windows, выполним обзор дистрибутивов Linux и продолжим наше погружение в изучение Linux.

Поделиться в социальных сетях:

Источник