posix是什么都不知道，就別說(shuō)你懂Linux了！

Linux開(kāi)發(fā)者越來(lái)越多，但是仍然有很多人整不明白POSIX是什么。本文就帶著大家來(lái)了解一下到底什么是POSIX，了解他的歷史和重要性。

一、什么是posix？

1. 概念

POSIX：可移植操作系統(tǒng)接口（Portable Operating System Interface of UNIX，縮寫(xiě)為 POSIX ），

2. 發(fā)布者-IEEE

發(fā)布者為電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（Institute of Electrical and Electronics Engineers），簡(jiǎn)稱(chēng)IEEE。這個(gè)協(xié)會(huì)老牛了【該組織在太空、計(jì)算機(jī)、電信、生物醫(yī)學(xué)、電力及消費(fèi)性電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中都是主要的權(quán)威】！POSIX是IEEE為要在各種UNIX操作系統(tǒng)上運(yùn)行的軟件而定義的一系列API標(biāo)準(zhǔn)的總稱(chēng)，其正式稱(chēng)呼為IEEE 1003，而國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)為ISO/IEC 9945。

POSIX.1 已經(jīng)被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Standards Organization，ISO）所接受，被命名為 ISO/IEC 9945-1:1990 標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE，總部位于美國(guó)紐約，是一個(gè)國(guó)際性的電子技術(shù)與信息科學(xué)工程師的協(xié)會(huì)，也是目前全球最大的非營(yíng)利性專(zhuān)業(yè)技術(shù)學(xué)會(huì)。IEEE致力于電氣、電子、計(jì)算機(jī)工程和與科學(xué)有關(guān)的領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)和研究，在太空、計(jì)算機(jī)、電信、生物醫(yī)學(xué)、電力及消費(fèi)性電子產(chǎn)品等領(lǐng)域已制定了1300多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已發(fā)展成為具有較大影響力的國(guó)際學(xué)術(shù)組織

3. POSIX標(biāo)準(zhǔn)下載

主頁(yè)：http://blog.csdn.net/ablo_zhou

很多人聽(tīng)說(shuō)了POSIX標(biāo)準(zhǔn)，但標(biāo)準(zhǔn)具體長(zhǎng)什么樣，在哪里下載到，則 不清楚。現(xiàn)在我開(kāi)放出來(lái)，供相關(guān)人員使用。

Single UNIX Specification V3，IEEE Std 1003.1,2004 Edition

標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)上地址：http://www.unix.org/version3/online.html 注冊(cè)后可以在線(xiàn)閱讀或者下載。

IEEE和Open Group 的POSIX認(rèn)證：http://www.opengroup.org/certification/idx/posix.html

相關(guān)頁(yè)面：http://www.unix.org/version3/ieee_std.html

二、POSIX歷史

1. 起源

POSIX是Unix的標(biāo)準(zhǔn)。

1974年，貝爾實(shí)驗(yàn)室正式對(duì)外發(fā)布Unix。因?yàn)樯婕暗椒磯艛嗟雀鞣N原因，加上早期的Unix不夠完善，于是貝爾實(shí)驗(yàn)室以慷慨的條件向?qū)W校提供源代碼，所以Unix在大專(zhuān)院校里獲得了很多支持并得以持續(xù)發(fā)展。

于是出現(xiàn)了好些獨(dú)立開(kāi)發(fā)的與Unix基本兼容但又不完全兼容的OS，通稱(chēng)Unix-like OS。

包括：

1. 美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Unix4.xBSD(Berkeley Software Distribution)。
2. 貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的自己的版本，稱(chēng)為System V Unix。
3. 其他廠商的版本，比如Sun Microsystems的Solaris系統(tǒng),則是從這些原始的BSD和System V版本中衍生而來(lái)。

20世紀(jì)80年代中期，Unix廠商試圖通過(guò)加入新的、往往不兼容的特性來(lái)使它們的程序與眾不同。

局面非?；靵y，麻煩也就隨之而來(lái)了。

為了提高兼容性和應(yīng)用程序的可移植性，阻止這種趨勢(shì)， IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會(huì))開(kāi)始努力標(biāo)準(zhǔn)化Unix的開(kāi)發(fā)，后來(lái)由 Richard Stallman命名為“Posix”。

這套標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了很多方面，比如Unix系統(tǒng)調(diào)用的C語(yǔ)言接口、shell程序和工具、線(xiàn)程及網(wǎng)絡(luò)編程。

2. 誰(shuí)遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)呢？

首先就是大名鼎鼎的Unix和Linux了，

除此之外還有蘋(píng)果的操作系統(tǒng)也是Unix-based的。

有了這個(gè)規(guī)范，你就可以調(diào)用通用的API了，Linux提供的POSIX系統(tǒng)調(diào)用在Unix上也能執(zhí)行，因此學(xué)習(xí)Linux的底層接口最好就是理解POSIX標(biāo)準(zhǔn)。

Windows從WinNT開(kāi)始就有兼容POSIX的考慮。這是因?yàn)楫?dāng)年在要求嚴(yán)格的領(lǐng)域，Unix地位比Windows高。為了把Unix用戶(hù)拉到Windows陣營(yíng)，被迫支持POSIX。

現(xiàn)在Win10對(duì) Linux/POSIX 支持好，則是因?yàn)長(zhǎng)inux已經(jīng)統(tǒng)治了廉價(jià)服務(wù)器市場(chǎng)。為了提高Windows的競(jìng)爭(zhēng)力搞的。

所以一切都是以市場(chǎng)為主導(dǎo)。

3. 支持POSIX-Linux成功的最重要一個(gè)因素

Linux之所以能夠成功，有很多因素，但是支持POSIX標(biāo)準(zhǔn)無(wú)疑是它能夠快速發(fā)展的最重要的一個(gè)因素。

POSIX 標(biāo)準(zhǔn)的制定最后投票敲定階段大概是 1991~1993 年間，而此時(shí)正是Linux 剛剛起步的時(shí)候，這個(gè) UNIX 標(biāo)準(zhǔn)為 Linux 提供了極為重要的信息，使得 Linux 能夠在標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并能夠與絕大多數(shù) UNIX 操作系統(tǒng)兼容。

在最初的 Linux 內(nèi)核源碼（0.01版、0.11版）中就已經(jīng)為 Linux 系統(tǒng)與 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)的兼容做好了準(zhǔn)備工作。

在 Linux 0.01 版內(nèi)核 /include/unistd.h 文件中就已經(jīng)定義了幾個(gè)有關(guān) POSIX 標(biāo)準(zhǔn)要求的符號(hào)常數(shù)，而且 Linus 在注釋中已寫(xiě)道：“OK，這也許是個(gè)玩笑，但我正在著手研究它呢”。

正是由于Linux支持POSIX標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)數(shù)可以在unix上運(yùn)行的程序都陸續(xù)的移植到Linux上，而此時(shí)unix因?yàn)榘鏅?quán)問(wèn)題，官司打的不可開(kāi)交，使得Linux后來(lái)者居上。

時(shí)也命也！

下面是祖師爺Linus當(dāng)年申請(qǐng)POSIX標(biāo)準(zhǔn)的郵件：

來(lái)自：torvalds@klaava.Helsinki.Fi（林納斯·托瓦茲）
討論組：comp.os.minix
主題：Gcc-1.40和一個(gè)有關(guān)POSIX的問(wèn)題
信息名稱(chēng)：?1991?Jul?3,?100050.9886@klaava.Helsinki.Fi
日期：?1991年7月3日，?格林威治時(shí)間10：?00：?50
各位網(wǎng)友好！
由于我現(xiàn)在正在MINIX系統(tǒng)下做一個(gè)項(xiàng)目，?對(duì)POSIX標(biāo)準(zhǔn)很感興趣。?有誰(shuí)能向我提供
一個(gè)（最好）?是機(jī)器可讀形式的最新的POSIX規(guī)則？?能有FTP地址就更好了。


而Linus也在《只是為了好玩》中講述了POSIX的重要性：

POSIX標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)可以適用于數(shù)以百計(jì)的UNIX系統(tǒng)呼叫中的任意一個(gè)的一套冗長(zhǎng)規(guī)則，?計(jì)算機(jī)要執(zhí)行任務(wù)（從讀、?寫(xiě)、?開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)開(kāi)始）?就需要這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。?

POSIX則是指一個(gè)UNIX的標(biāo)準(zhǔn)體系，?或一個(gè)由來(lái)自不同公司的代表所組成的一個(gè)組織，?希望按照一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行運(yùn)作。?對(duì)于程序員開(kāi)發(fā)的在該操作系統(tǒng)下的新應(yīng)用軟件或開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件的新版本而言，?標(biāo)準(zhǔn)是極其重要的。?從POSIX這樣的系統(tǒng)呼叫（system call）?，?尤其是重要的呼叫（call）?中，?我可以獲得一個(gè)操作系統(tǒng)應(yīng)該具有哪些功能的一個(gè)單子；?然后我就可以通過(guò)自己的方式在自己的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)每一個(gè)功能。?通過(guò)編寫(xiě)出這些標(biāo)準(zhǔn)，?我的系統(tǒng)軟件的源代碼將可以被別人使用，?以開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用軟件。

當(dāng)時(shí)我并不知道我本可以直接從POSIX公司買(mǎi)到這些規(guī)則的軟盤(pán)，?但這無(wú)所謂。?哪怕我能買(mǎi)得起，?什么東西運(yùn)到芬蘭，?往往會(huì)需要很長(zhǎng)的時(shí)間。?我不愿等上那么久，?因此我四處搜求一個(gè)能從FTP地址上直接下載的版本。

沒(méi)有人給我提供能找到POSI標(biāo)準(zhǔn)的來(lái)源。?于是我開(kāi)始了計(jì)劃B。

我從學(xué)校找到運(yùn)行sun器(sun server)的sun微系統(tǒng)版的UNIX手冊(cè)。?該手冊(cè)中有一個(gè)完全可以湊合使用的系統(tǒng)呼叫的基本版本。?從用戶(hù)手冊(cè)中能看出系統(tǒng)呼叫的主要功能，?以及為完成這些功能所需要完成的步驟。?但是，?從中看不出具體的方法，?而只是標(biāo)明了最終的結(jié)果。?于是我便著手從安德魯·塔南鮑姆的書(shū)中和別的材料中收集一些系統(tǒng)呼叫。?

最終有人給我寄來(lái)了那幾卷厚厚的POSIX標(biāo)準(zhǔn)。


三、可移植性

聊到POSIX，那我們就不得不說(shuō)說(shuō)到底什么是可移植性，在講可移植性之前，我們先來(lái)了解庫(kù)函數(shù)和系統(tǒng)調(diào)用的區(qū)別。

Linux下對(duì)文件操作有兩種方式：系統(tǒng)調(diào)用（system call）和庫(kù)函數(shù)調(diào)用（Library functions）。

1. 系統(tǒng)調(diào)用

系統(tǒng)調(diào)用是通向操作系統(tǒng)本身的接口，是面向底層硬件的。通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用，可以使得用戶(hù)態(tài)運(yùn)行的進(jìn)程與硬件設(shè)備(如CPU、磁盤(pán)、打印機(jī)等)進(jìn)行交互，是操作系統(tǒng)留給應(yīng)用程序的一個(gè)接口。

2. 庫(kù)函數(shù)

庫(kù)函數(shù)（Library function）是把函數(shù)放到庫(kù)里，供別人使用的一種方式。

方法是把一些常用到的函數(shù)編完放到一個(gè)文件里，供不同的人進(jìn)行調(diào)用。一般放在.lib文件中。

庫(kù)函數(shù)調(diào)用則是面向應(yīng)用開(kāi)發(fā)的，庫(kù)函數(shù)可分為兩類(lèi)，

1. 一類(lèi)是C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的庫(kù)函數(shù)，
2. 一類(lèi)是編譯器特定的庫(kù)函數(shù)。

(由于版權(quán)原因，庫(kù)函數(shù)的源代碼一般是不可見(jiàn)的，但在頭文件中你可以看到它對(duì)外的接口)。glibc 是 Linux 下使用的開(kāi)源的標(biāo)準(zhǔn) C 庫(kù)，它是 GNU 發(fā)布的 libc 庫(kù)，即運(yùn)行時(shí)庫(kù)。這些基本函數(shù)都是被標(biāo)準(zhǔn)化了的，而且這些函數(shù)通常都是用匯編直接實(shí)現(xiàn)的。

glibc 為程序員提供豐富的 API（Application Programming Interface），這些API都是遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)的，API的函數(shù)名，返回值，參數(shù)類(lèi)型等都必須按照POSIX標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義。

POSIX兼容也就指定這些接口函數(shù)兼容，但是并不管API具體如何實(shí)現(xiàn)。

3. 庫(kù)函數(shù)API和系統(tǒng)調(diào)用的區(qū)別

如上圖所示：

• (1) 庫(kù)函數(shù)是語(yǔ)言或應(yīng)用程序的一部分，而系統(tǒng)調(diào)用是內(nèi)核提供給應(yīng)用程序的接口，屬于系統(tǒng)的一部分
• (2) 庫(kù)函數(shù)在用戶(hù)地址空間執(zhí)行，系統(tǒng)調(diào)用是在內(nèi)核地址空間執(zhí)行，庫(kù)函數(shù)運(yùn)行時(shí)間屬于用戶(hù)時(shí)間，系統(tǒng)調(diào)用屬于系統(tǒng)時(shí)間，庫(kù)函數(shù)開(kāi)銷(xiāo)較小，系統(tǒng)調(diào)用開(kāi)銷(xiāo)較大
• (3) 系統(tǒng)調(diào)用依賴(lài)于平臺(tái)，庫(kù)函數(shù)并不依賴(lài)

系統(tǒng)調(diào)用是為了方便使用操作系統(tǒng)的接口，而庫(kù)函數(shù)則是為了人們編程的方便。

庫(kù)函數(shù)調(diào)用與系統(tǒng)無(wú)關(guān)，不同的系統(tǒng)，調(diào)用庫(kù)函數(shù)，庫(kù)函數(shù)會(huì)調(diào)用不同的底層函數(shù)實(shí)現(xiàn)，因此可移植性好。

4. 程序的可移植性及其本質(zhì)

那么目標(biāo)代碼和啟動(dòng)代碼是怎么生成的呢？答案是編譯器。

編程語(yǔ)言編寫(xiě)的程序首先要被編譯器編譯成目標(biāo)代碼（0、1代碼），然后在目標(biāo)代碼的前面插入啟動(dòng)代碼，最終生成了一個(gè)完整的程序。

要注意的是，程序中為訪(fǎng)問(wèn)特定設(shè)備（如顯示器）或者操作系統(tǒng)（如windows xp ?的API)的特殊功能而專(zhuān)門(mén)編寫(xiě)的部分通常是不能移植的。

綜上所述，一個(gè)編程語(yǔ)言的可移植性取決于

1. 不同平臺(tái)編譯器的數(shù)量
2. 對(duì)特殊硬件或操作系統(tǒng)的依賴(lài)性

移植是基于操作系統(tǒng)的。但是這個(gè)時(shí)候，我們需要注意一點(diǎn)：基于各種操作系統(tǒng)平臺(tái)不同，應(yīng)用程序在二級(jí)制級(jí)別是不能直接移植的。

我們只能在代碼層去思考可移植問(wèn)題，在API層面上由于各個(gè)操作系統(tǒng)的命名規(guī)范、系統(tǒng)調(diào)用等自身原因，在API層面上實(shí)現(xiàn)可移植也是不大可能的。

在各個(gè)平臺(tái)下，我們默認(rèn)C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的函數(shù)都是一樣的，這樣基本可以實(shí)現(xiàn)可移植。但是對(duì)于C庫(kù)本身而言，在各種操作系統(tǒng)平臺(tái)下其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)是完全不同的，也就是說(shuō)C庫(kù)封裝了操作系統(tǒng)API在其內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

因此，C語(yǔ)言提供了我們?cè)诖a級(jí)的可移植性，即這種可移植是通過(guò)C語(yǔ)言這個(gè)中間層來(lái)完成的。

例如在我們的代碼中下功夫。以下代碼可以幫助我們實(shí)現(xiàn)各平臺(tái)之間的可移植：

#ifdef?_WINDOWS_
???????CreateThread();??????//windows下線(xiàn)程的創(chuàng)建
#else
???????Pthread_create();????//Linux下線(xiàn)程的創(chuàng)建
#endif
對(duì)于頭文件，也使用同樣的預(yù)編譯宏來(lái)實(shí)現(xiàn)。如：

#ifndef?_WINDOWS_
???????#include?
#else
???????#include?
#endif
這樣就可以實(shí)現(xiàn)代碼的可移植了。在編譯的時(shí)候只要通過(guò)#define就可以選擇在那個(gè)平臺(tái)下完成程序的編譯。

綜上所述，我們都是將C，C 等各種語(yǔ)言當(dāng)作中間層，以實(shí)現(xiàn)其一定程度上的可移植。如今，語(yǔ)言的跨平臺(tái)的程序都是以這樣的方式實(shí)現(xiàn)的。但是在不同的平臺(tái)下，仍需要重新編譯。

5. 系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)

使用系統(tǒng)調(diào)用會(huì)影響系統(tǒng)的性能，在執(zhí)行調(diào)用時(shí)的從用戶(hù)態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，再返回用戶(hù)態(tài)會(huì)有系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。

為了減少開(kāi)銷(xiāo)，因此需要減少系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)，并且讓每次系統(tǒng)調(diào)用盡可能的完成多的任務(wù)。

硬件也會(huì)限制對(duì)底層系統(tǒng)調(diào)用一次所能寫(xiě)的數(shù)據(jù)塊的大小。

為了給設(shè)備和文件提供更高層的接口，Linux系統(tǒng)提供了一系列的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)。

使用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，可以高效的寫(xiě)任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊，庫(kù)函數(shù)在數(shù)據(jù)滿(mǎn)足數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度要求時(shí)安排執(zhí)行底層系統(tǒng)調(diào)用。

一般地，操作系統(tǒng)為了考慮實(shí)現(xiàn)的難度和管理的方便，它只提供一少部分的系統(tǒng)調(diào)用，這些系統(tǒng)調(diào)用一般都是由C和匯編混合編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)的，其接口用C來(lái)定義，而具體的實(shí)現(xiàn)則是匯編，這樣的好處就是執(zhí)行效率高，而且，極大的方便了上層調(diào)用。

隨著系統(tǒng)提供的這些庫(kù)函數(shù)把系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行封裝或者組合，可以實(shí)現(xiàn)更多的功能，這樣的庫(kù)函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)一些對(duì)內(nèi)核來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜的操作。

比如，read()函數(shù)根據(jù)參數(shù)，直接就能讀文件，而背后隱藏的比如文件在硬盤(pán)的哪個(gè)磁道，哪個(gè)扇區(qū)，加載到內(nèi)存的哪個(gè)位置等等這些操作，程序員是不必關(guān)心的，這些操作里面自然也包含了系統(tǒng)調(diào)用。

而對(duì)于第三方的庫(kù)，它其實(shí)和系統(tǒng)庫(kù)一樣，只是它直接利用系統(tǒng)調(diào)用的可能性要小一些，而是利用系統(tǒng)提供的API接口來(lái)實(shí)現(xiàn)功能(API的接口是開(kāi)放的)。

四、舉例

如下圖是Linux系統(tǒng)調(diào)用的大概流程。

當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用printf()函數(shù)時(shí)，printf函數(shù)會(huì)調(diào)用C庫(kù)中的printf，繼而調(diào)用C庫(kù)中的write，C庫(kù)最后調(diào)用內(nèi)核的write()。

而另一些則不會(huì)使用系統(tǒng)調(diào)用，比如strlen, strcat, memcpy等。

printf函數(shù)執(zhí)行過(guò)程中，程序運(yùn)行狀態(tài)切換如下：

用戶(hù)態(tài)–>系統(tǒng)調(diào)用–>內(nèi)核態(tài)–>返回用戶(hù)態(tài)
printf函數(shù)、glibc庫(kù)和系統(tǒng)調(diào)用在系統(tǒng)中關(guān)系圖如下：

實(shí)例代碼如下：

??1?#include?
??2?
??3?
??4?int?main(int?argc,?char?**argv)
??5?{
??6?????printf("yikoulinux");???
??7?????return?0;
??8?}???
編譯執(zhí)行

ospace;font-size: 12px;-webkit-overflow-scrolling: touch;padding-top: 15px;background: #282c34;border-radius: 5px;">root@ubuntu:/home/peng/test#?gcc?123.c?-o?run
root@ubuntu:/home/peng/test#?strace?./run
如執(zhí)行結(jié)果可知：我們的程序雖然只有一個(gè)printf函數(shù)，但是在執(zhí)行過(guò)程中，我們前后調(diào)用了execve、access、open、fstat、mmap、brk、write等系統(tǒng)調(diào)用。其中write系統(tǒng)調(diào)用會(huì)把字符串：yikoulinux通過(guò)設(shè)備文件1，發(fā)送到驅(qū)動(dòng)，該設(shè)備節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)終端stdout。

【注意】運(yùn)行程序前加上strace，可以追蹤到函數(shù)庫(kù)調(diào)用過(guò)程

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