]> git.tuebingen.mpg.de Git - aple.git/blob - Unix_Concepts.m4
Merge topic branch t/misc into pu
[aple.git] / Unix_Concepts.m4
1 TITLE(«
2
3         Unix is user-friendly. It's just very selective about who
4         its friends are. -- Unknown
5
6 », __file__)
7
8 SECTION(«History and Philosophy»)
9
10 SUBSECTION(«Early Unix History»)
11
12 <p> Unix was created in 1969 as a successor of Multics, the
13 <em>MULTiplexed Information and Computing Service</em>, which had been
14 in use since the mid 1960s as the successor of CTSS, the <em>Compatible
15 Time-Sharing System</em> of the early 1960s. Multics aimed to get
16 CTSS right, but failed in this regard and was eventually discontinued
17 because of its complexity. The Unix approach was very different as it
18 was brainstormed by only three people and then implemented by Ken
19 Thompson at Bell Laboratories in two days. Unlike its predecessors it
20 focused on elegance and simplicity. The name was originally spelt
21 UNICS (<em>UNiplexed Information and Computing Service</em>) to
22 emphasize the contrast to Multics. </p>
23
24 <p> The original Unix implementation was written in assembly
25 language for the 18 bit processor of the PDP-7 "minicomputer", a
26 device of the size of a wardrobe which was considered small by the
27 standards of the day. Like all computers of this era, the PDP-7 was
28 not connected to a video screen. Instead, input had to be typed in on
29 the <em>console</em>, a device which looked much like an electric
30 typewriter. Output from the computer was printed on rolls of paper.
31 Since the assembly instructions could not easily be ported to different
32 hardware, Dennis Ritchie invented the C programming language in
33 1971. By 1973 the complete Unix implementation had been rewritten in C.
34 The C language was another corner stone in the history of Unix which
35 turned out to be very successful. While other programming languages
36 of that time have long been abandoned or play merely a niche role, C
37 is still one of the most widely used programming languages today. The
38 first Unix application was <code>roff</code>, a typesetting program
39 which is still ubiquitous as the manual pages which ship with every
40 Unix system are formatted with roff. </p>
41
42 <p> From the beginning, Thompson and his early collaborators encouraged
43 close communication between programmers, creating an early form of
44 community. Up to the present day, this "hacker culture" has been a
45 stimulus for countless improvements. Copies of Unix were distributed
46 on tapes, hand-signed with "Love, Ken". Over time many universities
47 contributed to Unix. By the end of the 1970s, Unix accumulated a
48 whole bunch of utilities that made it a fully flavored operating
49 system which was also free of any copyright claims. </p>
50
51 <p> Despite the primitive hardware of the time, the early Unix was
52 remarkably similar to modern Linux systems. For example, the task
53 scheduler, the hierarchical filesystem tree and the shell already
54 existed back then. </p>
55
56 SUBSECTION(«Networking»)
57
58 <p> The <em>Advanced Research Projects Agency</em> (ARPA) was a
59 military research unit that was part of the USA's department of
60 defence. It was established in the early 1960s with the mandate to
61 create systems that could survive a nuclear war. The agency created
62 the <em>arpanet</em>, the predecessor of today's internet, which was
63 designed to stay operational after subordinate network losses. By
64 the end of the 1960s and the early 1970s, the fundamental networking
65 protocols were established: telnet for remote login was standardized
66 in 1969, email (SMTP) in 1971, and the file transfer protocol (FTP)
67 in 1973. </p>
68
69 <p> By the end of the 1970s many Unix installations existed in
70 all parts of the world. However, the arpanet was mostly powered by
71 commercial Multics systems because Unix only had rudimentary network
72 support (UUCP, the <em>Unix to Unix copy</em>) which could copy files
73 over telephone lines via modems but not much more. This changed in
74 1983 when TCP/IP networking was developed by the ARPA to replace the
75 arpanet. Unix support for TCP/IP was developed at Berkeley University
76 which had become the "Mecca" for Unix development and started already
77 in 1977 to release their own Unix system named BSD, the <em>Berkeley
78 Software Distribution</em>. </p>
79
80 SUBSECTION(«Commercialization, POSIX and GNU»)
81
82 <p> With excellent networking support and no licensing issues, it
83 was only a matter of time until companies became interested in Unix
84 in order to make money. Several companies started to commercialize
85 Unix by adding features to the common code base but keeping their
86 improvements closed, effectively stopping the source code from being
87 freely distributable. At the same time Microsoft began to sell their
88 DOS operating system, targeting small businesses and the home market.
89 DOS lacked many features that Unix already had for a decade, like
90 multi-tasking and multi-user support, but it did run on the cheap
91 Intel 286 processors that were too weak for Unix. </p>
92
93 <p> By 1985 the commercialization of Unix and the success of Microsoft
94 had damaged the Unix community badly. But also the various companies
95 that sold their particular proprietary Unix brand realized that
96 too many incompatible Unix implementations would only hurt their
97 business. That's where the Computer Society of the <em>Institute of
98 Electrical and Electronics Engineers</em> (IEEE) became involved
99 in Unix. The IEEE is an organization which was already founded in
100 1946 to advance the theory, practice, and application of computer
101 technology. This organization created POSIX, the <em>Portable Operating
102 System Interface for Unix</em>, which is a family of specifications
103 for maintaining compatibility between operating systems. The first
104 version of POSIX was published in 1988. It covered several command
105 line utilities including <code>vi(1)</code> and <code>awk(1)</code>,
106 the shell scripting language, application programmer interfaces (APIs)
107 for I/O (input/output) and networking, and more. Up to the present
108 day POSIX is maintained by the IEEE and new revisions of the POSIX
109 standard are published regularly. </p>
110
111 <p> In 1983 Richard Stallman launched the GNU project and the Free
112 Software Foundation as a reaction to the ongoing commercialization
113 of Unix. GNU, which is is a recursive acronym for "GNU's not Unix",
114 aimed to keep the Unix source code free, or to replace non-free parts
115 by open source equivalents. To this aim the GNU project created
116 the <em>GNU General Public License</em> (GPL), which requires not
117 only the source code to stay free, but also that all subsequent
118 modifications to the code base remain free. By the end of the 80s,
119 the GNU toolset had become a full developer software stack licensed
120 under the GPL. This set of software packages was complemented by
121 the <em>X window system</em>, which was also released under a free
122 license and enabled programmers to build graphical applications for
123 desktop systems.  Moreover, the first open source scripting language,
124 <em>perl</em>, was released in 1987. </p>
125
126 SUBSECTION(«Linux»)
127
128 <p> In 1985 Intel announced the 386 processor which, unlike its 286
129 predecessor, was powerful enough to run Unix. There were efforts to
130 port the Unix operating system kernel to this hardware, but these
131 efforts were impaired by pending lawsuits about who owns the copyright
132 on the BSD source code. Due to the unclear legal situation of the BSD
133 code, the major missing piece in the GNU toolset was a free operating
134 system kernel. This hole was filled in 1991 when Linus Torvalds,
135 a student from Helsinki in Finland, announced the first version of
136 his <em>Linux</em> kernel. </p>
137
138 <p> Linux did not repeat the licensing problems of the original Unix
139 because the Linux source code was written from scratch and licensed
140 under the GPL. Due to this difference many developers moved from
141 Unix to Linux, so Linux grew quickly and started soon to outperform
142 the commercial Unix kernels in almost every benchmark. The cheap 386
143 hardware, the Linux kernel, the GNU toolset and the graphical user
144 interface based on the X window system facilitated cheap workstations
145 which ran a complete open source software stack. </p>
146
147 <p> The success of Linux, or <em>GNU/Linux</em> as some prefer to
148 call it for reasons that should now be clear, steadily increased over
149 time. In 2003 the SCO group, a company which sold a proprietary Unix
150 system, was unhappy about this progress and sued IBM, which offered
151 various Linux products. SCO claimed to be the owner of Unix, and that
152 Linux contained "millions of lines" of code copied from Unix. SCO's
153 lawyers argued that the success of Linux originated from this theft
154 of intellectual property and asked for $5 billion as compensation
155 for the resulting losses. The company also tried to collect taxes
156 from other Linux users. Microsoft funded SCO in these efforts. </p>
157
158 <p> In the end SCO lost the lawsuit since it was evident that all that
159 copied code never existed. In fact, the court ruled that SCO did not
160 even own the Unix copyrights to begin with. Another fun fact is that
161 the large number of bugs in the early Linux code actually helped to
162 prove that Linux was original work. The long term effects of this
163 lawsuit, an improved position of Linux and its ecosystem, last until
164 the presence. Commercial Unix systems have become irrelevant as Linux
165 runs on a wide variety of machines ranging from supercomputers to
166 workstations, smart phones and IOT (internet of things) devices with
167 very limited resources. </p>
168
169 <p> While SCO went bankrupt eventually, some of the companies which
170 almost killed Unix by maximizing their own profit still exist, and
171 make money with Linux today. However, they had to adjust their
172 business model in order to comply with the GPL. Rather than selling
173 proprietary software, they bundle open source software and sell
174 support to paying customers. Some companies also sell hardware with
175 Linux pre-installed. </p>
176
177 SUBSECTION(«Linux Distributions»)
178
179 <p> A <em>Linux Distribution</em> is a conglomeration of free software,
180 including the Linux kernel, the GNU toolset and the X window system,
181 plus possibly other, proprietary software on top of that. Usually a
182 distribution also includes an installer and a package manager to
183 make it easy to install and update packages according to the users'
184 needs. </p>
185
186 <p> There are hundreds of Linux distributions, and new distributions
187 are created all the time while others are discontinued. Many
188 distributions are backed by companies which target specific
189 classes of users or hardware, but there are also non-commercial
190 Linux distributions which are solely driven by a community of
191 volunteers. </p>
192
193 <p> One of the most popular company-backed Linux distributions is
194 <em>Ubuntu</em>, which is led since 2004 by the UK-based Canonical Ltd.
195 It targets unskilled desktop users which would like to switch away
196 from Microsoft Windows. One reason for the popularity of Ubuntu
197 is that it is very easy to install on standard desktop and laptop
198 hardware. A distinguishing feature of Ubuntu is its strict release
199 cycles: New versions are released in April and October of each year,
200 and every fourth release is a <em>long-term support</em> (LTS) release
201 which will be supported for at least five years. Ubuntu also features
202 a variant for server hardware which contains a different Linux kernel
203 and ships with most desktop packages excluded. </p>
204
205 <p> The main community-driven Linux distribution is
206 <em>Debian</em>. The Debian project was founded in 1993 and the first
207 stable version was released in 1996. Debian is used as the basis for
208 many other distributions. In fact, Ubuntu is based on Debian. The
209 development of Debian closely follows the Unix culture in that it
210 is developed openly and distributed freely. A team of about 1000
211 core developers work together with countless package maintainers
212 according to the Debian Social Contract, the Debian Constitution,
213 and the Debian Free Software Guidelines. </p>
214
215 EXERCISES()
216
217 <ul>
218         <li> Run <code>uname -a</code> on various Unix machines to see the
219         OS type and the kernel version. </li>
220
221         <li> Explore the <a
222         href="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/77/Unix_history-simple.svg">Unix
223         time line</a>. </li>
224
225         <li> Try out the <a
226         href="http://www.gnu.org/cgi-bin/license-quiz.cgi">Free Software
227         licensing quiz</a>. </li>
228
229         <li> On a Debian or Ubuntu system, run <code>aptitude search
230         python</code> to list all python-related Ubuntu packages. Run
231         <code>aptitude show python-biopython</code> to see the description
232         of the biopython package. Repeat with different search patterns and
233         packages. </li>
234
235         <li> The Debian Social Contract (DSC) describes the agenda of Debian.
236         Find the DSC online, read it and form your own opinion about the key
237         points stated in this document. </li>
238 </ul>
239
240 SECTION(«Characteristics of a Unix system»)
241
242 <p> After having briefly reviewed the history of Unix, we now look
243 closer at the various components which comprise a Unix system and
244 which distinguish Unix from other operating systems. We focus on
245 general design patterns that have existed since the early Unix days
246 and are still present on recent Linux systems. </p>
247
248 SUBSECTION(«Single Hierarchy of Files»)
249
250 <p> The most striking difference between Unix and Windows is perhaps
251 that on Unix the files of all devices are combined to form a single
252 hierarchy with no concept of drive letters. When the system boots,
253 there is only one device, the <em>root device</em>, which contains the
254 <em>root directory</em>. To make the files of other devices visible,
255 the <em>mount</em> operation must be employed. This operation attaches
256 the file hierarchy of the given device to the existing hierarchy
257 at a given location which is then called the <em>mountpoint</em>
258 of the device. Mountpoints are thus the locations in the hierarchy
259 where the underlying storage device changes. </p>
260
261 <p> The root directory contains a couple of well-known subdirectories,
262 each of which is supposed to contain files of a certain type or for
263 a certain purpose. The following table lists a subset:
264
265 <ul>
266         <li> <code>/bin</code>: Essential commands for all users </li>
267         <li> <code>/sbin</code>: Essential system binaries </li>
268         <li> <code>/lib</code>: Essential libraries </li>
269         <li> <code>/usr</code>: Non-essential read-only user data </li>
270         <li> <code>/etc</code>: Static configuration files </li>
271         <li> <code>/home</code>: Home directories </li>
272         <li> <code>/tmp</code>: Temporary files </li>
273         <li> <code>/run</code>: Files which describe the state of running programs </li>
274         <li> <code>/var</code>: Log and spool files </li>
275 </ul>
276
277 <p> The <em>Filesystem Hierarchy Standard</em> describes the various
278 subdirectories in more detail. The exercises ask the reader to become
279 acquainted with this directory structure. </p>
280
281 SUBSECTION(«POSIX Commands and Shell»)
282
283 <p> The Filesystem Hierarchy Standard lists <code>/bin</code>
284 and <code>/sbin</code> and several other directories for executable
285 files. The POSIX standard defines which executables must exist in one
286 of these directories for the system to be POSIX-compliant.  Well over
287 100 <em>POSIX commands</em> are listed in the XCU volume of this
288 standard. Besides the names of the commands, the general behaviour
289 of each and the set of command line options and their semantics are
290 described.  POSIX versions are designed with backwards compatibility
291 in mind. For example, a new POSIX version might require a command
292 to support additional command line options, but existing options are
293 never dropped and never change semantics in incompatible ways. The
294 target audience of the POSIX document are programmers who implement
295 and maintain the POSIX commands and users which want to keep their
296 software portable across different Unix flavors. </p>
297
298 <p> One of the POSIX commands is the <em>shell</em>,
299 <code>/bin/sh</code>, an interpreter that reads input expressed in
300 the <em>shell command language</em>, which is also part of POSIX.
301 The shell transforms the input in various ways to produce commands
302 and then executes these commands. The user may enter shell code
303 (i.e., code written in the shell command language) interactively at
304 the <em>command prompt</em>, or supply the input for the shell as a
305 <em>shell script</em>, a text file which contains shell code. Shell
306 scripts which only contain POSIX commands and use only POSIX options
307 are portable between different shell implementations and between
308 different Unix flavors. They should therefore never cease to work after
309 an upgrade. Among the many available POSIX shell implementations,
310 <em>GNU bash</em> is one of the more popular choices. Bash is fully
311 POSIX compatible and offers many more features on top of what is
312 required by POSIX. </p>
313
314 <p> Several implementations of the POSIX commands exist. On Linux
315 the GNU implementation is typically installed while FreeBSD, NetBSD
316 and MacOS contain the BSD versions. Although all implementations
317 are POSIX-compliant, they differ considerably because different
318 implementations support different sets of additional features and
319 options which are not required by POSIX. These extensions are not
320 portable, and should thus be avoided in shell scripts that must work
321 on different Unix flavors. </p>
322
323 <p> In addition to the POSIX commands, a typical Unix system might well
324 contain thousands of other commands. This illustrates another aspect
325 that is characteristic for Unix: Tools should do only one specific
326 task, and do it well. The operating system provides mechanisms
327 to combine the simple commands in order to form more powerful
328 programs. For example, commands can be <em>chained</em> together so
329 that the output of one command becomes the input for the next command
330 in the chain. This is the idea behind <em>pipes</em>, a Unix concept
331 which dates back to 1973 and which is also covered by POSIX. We shall
332 come back to pipes and related concepts in a later section. </p>
333
334 SUBSECTION(«Multi-User, Multi-Tasking, Isolation»)
335
336 <p> From the very beginning Unix was designed to be a multi-user
337 and a multi-tasking operating system. That is, it could run multiple
338 programs on behalf of different users independently of each other and
339 isolated from each other. This design was chosen to improve hardware
340 utilization and robustness. In contrast, DOS and early versions
341 of Windows were designed for <em>personal computing</em> (PC) and
342 had no notion of user accounts, access permissions or isolation.
343 This resulted in an unstable system because a single misbehaving
344 program was enough to take down the whole system. Therefore these
345 features had to be retrofitted later.  </p>
346
347 <p> While multi-tasking makes all tasks appear to run simultaneously
348 even if there are more tasks than CPUs, isolation refers to
349 <em>memory protection</em>, a mechanism which prevents applications
350 from interfering with each other and with the internals of the
351 operating system. A running Unix system maintains two sets of
352 running tasks: besides the <em>application tasks</em> there is
353 also a set of <em>kernel tasks</em>. Unlike the application tasks,
354 the kernel tasks are privileged in that they can access the memory
355 of the application tasks while applications tasks can only access
356 their own memory. Isolation is achieved by a hardware concept called
357 <em>protection domains</em>, which existed already in Multics and thus
358 predates Unix. In the simplest case, there are only two protection
359 domains: a privileged domain called <em>ring 0</em> for the kernel
360 tasks, and an unprivileged domain for application tasks, also called
361 <em>user processes</em> in this context. The CPU is always aware
362 of the current protection domain as this information is stored in a
363 special CPU register.
364
365 SUBSECTION(«System Calls and the C POSIX Library»)
366
367 <p> Only when the CPU is running in the privileged ring 0 domain
368 (also known as <em>kernel mode</em>, as opposed to <em>user mode</em>
369 for application tasks), it can interact directly with hardware and
370 memory. If an application wants to access hardware, for example read a
371 data block from a storage device, it can not do so by itself. Instead,
372 it has to ask the operating system to perform the read operation
373 on behalf of the application. This is done by issuing a <em>system
374 call</em>. Like function calls, system calls interrupt the current
375 program, continue execution at a different address and eventually
376 return to the instruction right after the call. However, in addition
377 to this, they also cause the CPU to enter kernel mode so that it can
378 perform the privileged operation. When the system call has done its
379 work and is about to return to the application, the protection domain
380 is changed again to let the CPU re-enter user mode. </p>
381
382 <p> The system calls thus define the interface between applications
383 and the operating system. For backwards compatibility it is of utmost
384 importance that system calls never change semantics in an incompatible
385 way. Moreover, system calls must never be removed because this would
386 again break existing applications. The syntax and the semantics
387 of many system calls are specified in POSIX, although POSIX does
388 not distinguish between functions and system calls and refers to
389 both as <em>system functions</em>. This is because system calls are
390 typically not performed by the application directly. Instead, if an
391 application calls, for example, <code>read()</code>, it actually calls
392 the compatibility wrapper for the <code>read</code> system call which
393 is implemented as a function in the <em>C POSIX Library</em> (libc),
394 which ships with every Unix system. It is this library which does the
395 hard work, like figuring out which system calls are supported on the
396 currently running kernel, and how kernel mode must be entered on this
397 CPU type. Like the POSIX commands, the system functions described in
398 POSIX never change in incompatible ways, so programs which exclusively
399 use POSIX system functions are portable between different Unix flavors
400 and stay operational after an upgrade. </p>
401
402 SUBSECTION(«Multi-Layer Configuration Through Text Files»)
403
404 <p> On a multi-user system it becomes necessary to configure programs
405 according to each user's personal preferences. The Unix way to
406 achieve this is to provide four levels of configuration options
407 for each program. First, there are the built-in defaults which are
408 provided by the author of the program. Next, there is the system-wide
409 configuration that is controlled by the administrator. Third,
410 there is the user-defined configuration, and finally there are the
411 command line options. Each time the program is executed, the four
412 sets of configuration options are applied one after another so
413 that the later sets of options override the earlier settings. The
414 system-wide configuration is stored in <code>/etc</code> while the
415 user-defined configuration is stored in that user's home directory.
416 Both are are simple text files that can be examined and modified with
417 any text editor. This makes it easy to compare two configurations
418 and to transfer the configuration across different machines or user
419 accounts. </p>
420
421 SUBSECTION(«Everything is a File»)
422
423 <p> Another mantra which is often heard in connection with Unix is
424 <em>everything is a file</em>. This phrase, while certainly catchy,
425 is slightly incorrect. A more precise version would be <em>everything
426 is controlled by a file descriptor</em>, or, as Ritchie and Thompson
427 stated it, Unix has <em>compatible file, device, and inter-process
428 I/O</em>. Modern Unix systems have pushed this idea further and employ
429 file descriptors also for networking, process management, system
430 configuration, and for certain types of events. The file descriptor
431 concept is thus an abstraction which hides the differences between the
432 objects the file descriptors refer to. It provides a uniform interface
433 for the application programmer who does not need to care about whether
434 a file descriptor refers to a file, a network connection, a peripheral
435 device or something else because the basic I/O operations like open,
436 read, write are the same. </p>
437
438 <p> File descriptors are ubiquitous since every Unix program uses
439 them, albeit perhaps implicitly via higher-level interfaces provided
440 by a scripting language. We shall return to this topic when we discuss
441 processes. </p>
442
443 SUBSECTION(«Manual Pages»)
444
445 <p> All POSIX commands and most other programs are installed along
446 with one or more <em>man pages</em> (short for <em>manual pages</em>),
447 which are plain text files that can be formatted and displayed in
448 various ways. This concept was introduced in 1971 as part of the
449 <em>Unix Programmer's Manual</em>.  The characteristic page layout
450 and the typical sections (NAME, SYNOPSIS, DESCRIPTION, EXAMPLES,
451 SEE ALSO) of a man page have not changed since then. The POSIX
452 <code>man</code> command is used to view man pages in a terminal. For
453 example, the command <code>man ls</code> opens the man page of the
454 <code>ls</code> command, and <code>man man</code> shows the man page
455 of the <code>man</code> command itself. Most implementations also
456 maintain a database of the existing man pages and provide additional
457 commands to query this database. For example, the <code>whatis</code>
458 command prints the one-line description of all man pages which match
459 a pattern while the <code>apropos</code> command searches the manual
460 page names and descriptions. </p>
461
462 <p> In addition to the man pages for commands, there are man pages for
463 system calls, library functions, configuration files and more. Each
464 man page belongs to one of several <em>man sections</em>. For example,
465 the aforementioned man pages for <code>ls</code> and <code>man</code>
466 are part of section 1 (user commands) while section 2 is reserved for
467 system calls and section 8 for administration commands that can only be
468 executed by privileged users. By convention, to indicate which section
469 a command or a function belongs to, the man section is appended in
470 parenthesis as in <code>mount(8)</code>. Most Unix systems also offer
471 translated man pages for many languages as an optional package. Note
472 that the same name may refer to more than one man page. For example
473 there is <code>kill(1)</code> for the user command that kills processes
474 and also <code>kill(2)</code> which describes the corresponding system
475 call. To open the man page of a specific section, one may use a command
476 like <code>man 2 kill</code>.  The <code>MANSECT</code> environment
477 variable can be set to a colon-delimited list of man sections to
478 change the order in which the man sections are searched. </p>
479
480 <p> Consulting the local man pages rather than searching the web has
481 some advantages. Most importantly, the local pages will always give
482 correct answers since they always match the installed software while
483 there is no such relationship between a particular web documentation
484 page and the version of the software package that is installed on the
485 local computer. Working with man pages is also faster, works offline
486 and helps the user to stay focused on the topic at hand. </p>
487
488 EXERCISES()
489
490 <ul>
491         <li> Run <code>df</code> on as many systems as possible to see the
492         mount points of each filesystem. Then discuss the pros and cons of
493         a single file hierarchy as opposed to one hierarchy per device. </li>
494
495         <li> Run <code>ls /</code> to list all top-level subdirectories of
496         the root file system and discuss the purpose of each. Consult the
497         Filesystem Hierarchy Standard if in doubt. </li>
498
499         <li> Execute <code>cd / && mc</code> and start surfing at the root
500          directory.  </li>
501
502         <li> Compare the list of top-level directories that exist on different
503         Unix systems, for example Linux and MacOS. </li>
504
505         <li> Find out which type of files are supposed to be stored in
506         <code>/usr/local/bin</code>. Run <code>ls /usr/local/bin</code>
507         to list this directory.  </li>
508
509         <li> Find out what the term <em>bashism</em> means and learn how to
510         avoid bashishms. </li>
511
512         <li> Find the POSIX specification of the <code>cp(1)</code> command
513         online and compare the set of options with the options supported by
514         the GNU version of that command, as obtained with <code>man cp</code>
515         on a Linux system. </li>
516
517         <li>&nbsp;
518                 <ul>
519                         <li> Run <code>time ls /</code> and discuss the meaning of
520                         the three time values shown at the end of the output (see
521                         <code>bash(1)</code>). </li>
522
523                         <li> Guess the user/real and the sys/real ratios for the following
524                         commands. Answer, before you run the commands.
525
526                                 <ul>
527                                         <li> <code>time head -c 100000000 /dev/urandom > /dev/null</code> </li>
528
529                                         <li> <code>i=0; time while ((i++ &lt; 1000000)); do :; done</code>
530                                         </li>
531                                 </ul>
532                         </li>
533
534                         <li> Run the above two commands again, this time run
535                         <code>htop(1)</code> in parallel on another terminal and observe the
536                         difference. </li>
537                 </ul>
538         </li>
539
540         <li> On a Linux system, check the list of all system calls in
541         <code>syscalls(8)</code>. </li>
542
543         <li> The <code>strace(1)</code> command prints the system calls that
544         the given command performs. Guess how many system calls the command
545         <code>ls -l</code> will make.  Run <code>strace -c ls -l</code> for
546         the answer. Read the <code>strace(1)</code> man page to find suitable
547         command line options to only see the system calls which try to open
548         a file. </li>
549
550         <li> Guess how many man pages a given system has. Run <code>whatis -w
551         '*' | wc -l</code> to see how close your guess was. </li>
552
553         <li> Search the web for "cp(1) manual page" and count how many
554         <em>different</em> manual pages are shown in the first 20 hits. </li>
555 </ul>
556
557 HOMEWORK(«
558
559 Think about printers, sound cards, or displays as a file. Specifically,
560 describe what <code>open, read</code>, and <code>write</code> should
561 mean for these devices.
562
563 », «
564
565 Opening would establish a (probably exclusive) connection
566 to the device.  Reading from the file descriptor returned by
567 <code>open(2)</code> could return all kinds of status information,
568 like the type, model and capabilities of the device. For example,
569 printers could return the number of paper trays, the amount of toner
570 left etc. Writing to the file descriptor would cause output on the
571 device. This would mean to print the text that is written, play the
572 audio samples, or show the given text on the display. The point to
573 take away is that the <code>open, read, write</code> interface is a
574 generic concept that works for different kinds of devices, not only
575 for storing data in a file on a hard disk.
576
577 »)
578
579 SECTION(«Paths, Files and Directories»)
580
581 In this section we look in some detail at paths, at a matching
582 language for paths, and at the connection between paths and files. We
583 then describe the seven Unix file types and how file metadata are
584 stored. We conclude with the characteristics of soft and hard links.
585
586 SUBSECTION(«Paths»)
587
588 <p> The path concept was introduced in the 1960s with the Multics
589 operating system. Paths will be familiar to the reader because
590 they are often specified as arguments to commands. Also many
591 system calls receive a path argument. A path is a non-empty
592 string of <em>path components</em> which are separated by slash
593 characters. An <em>absolute path</em> is a path that starts with a
594 slash, all other paths are called <em>relative</em>. A relative path
595 has to be interpreted within a context that implies the leading
596 part of the path. For example, if the implied leading part is
597 <code>/foo/bar</code>, the relative path <code>baz/qux</code> is
598 equivalent to the absolute path <code>/foo/bar/baz/qux</code>. </p>
599
600 <p> Given a path, there may or may not exist a file or a
601 directory that corresponds to the path. <em>Path lookup</em> is the
602 operation which determines the answer to this question, taking the
603 implied leading part into account in case of relative paths. This
604 operation is always performed within the kernel and turns out to
605 be surprisingly complex due to concurrency and performance issues.
606 Consult <code>path_resolution(7)</code> on a Linux system to learn
607 more about how pathnames are resolved to files. </p>
608
609 <p> If a path was successfully looked up, each path component up to the
610 second-last refers to an existing directory while the last component
611 refers to either a file or a directory. In both cases the directory
612 identified by the second-last component contains an entry named by the
613 last component. We call those paths <em>valid</em>. The valid paths
614 give rise to a rooted tree whose interior nodes are directories and
615 whose leaf nodes are files or directories. Note that the validity of a
616 path depends on the set of existing files, not just on the path itself,
617 and that a valid path may become invalid at any time, for example if
618 a file is deleted or renamed. Many system calls which receive a path
619 argument perform path lookup and fail with the <code>No such file or
620 directory</code> error if the lookup operation fails. </p>
621
622 <p> It depends on the underlying filesystem whether the path components
623 are <em>case-sensitive</em> or <em>case-insensitive</em>. That is,
624 whether paths which differ only in capitalization (for example
625 <code>foo</code> and <code>Foo</code>) refer to the same file.
626 Since the hierarchy of files may be comprised of several filesystems,
627 some components of the path may be case-sensitive while others are
628 case-insensitive. As a rule of thumb, Unix filesystems are case
629 sensitive while Microsoft filesystems are case-insensitive even when
630 mounted on a Unix system. </p>
631
632 <p> Path components may contain every character except the Null
633 character and the slash. In particular, space and newline characters
634 are allowed. However, while dots are allowed in path components if
635 they are used together with other characters, the path components
636 <code>.</code> and <code>..</code> have a special meaning: every
637 directory contains two subdirectories named <code>.</code> and
638 <code>..</code> which refer to the directory itself and its parent
639 directory, respectively. </p>
640
641 <p> One consequence of the special meaning of the path components
642 <code>.</code> and <code>..</code> is that there are infinitely
643 many paths which refer to the same file. Indeed, given the path
644 <code>/foo/bar</code>, one may construct different paths which
645 refer to the same file by inserting any number of <code>/.</code>
646 or <code>../foo</code> after the first component. For example,
647 <code>/foo/./bar</code> and <code>/foo/../foo/bar</code> both refer
648 to the same file. If relative paths have to be taken into account as
649 well, even more paths can be constructed. </p>
650
651 <p> This illustrates the fundamental difference between a path and a
652 file. Paths can be mapped to files, but not the other way around. In
653 particular, there is no such thing like "the list of paths which
654 have changed since yesterday". Also, it is incorrect to assume
655 that two files are different just because their paths are different.
656 The concept of hard- and soft links discussed below further complicates
657 the relationship between paths and files. </p>
658
659 SUBSECTION(«Globbing»)
660
661 <p> Globbing, also known as <em>pathname expansion</em>, is a pattern
662 matching language for paths which was already present in the earliest
663 Unix versions. The glob operation generates a set of valid paths from
664 a <em>glob pattern</em> by replacing the pattern by all <em>matching
665 paths</em>. </p>
666
667 <p> Glob patterns may contain special characters called
668 <em>wildcards</em>. The wildcard characters are: </p>
669
670         <ul>
671                 <li> <code>*</code>: match any string, </li>
672                 <li> <code>?</code>: match any simple character, </li>
673                 <li> <code>[...]</code>: match any of the enclosed characters. </li>
674         </ul>
675
676 <p> The complete syntax rules for glob patterns and the exact
677 semantics for pattern matching are described in POSIX and in
678 <code>glob(7)</code>. Any POSIX-compliant shell performs globbing
679 to construct the command to be executed from the line entered at
680 the prompt. However, POSIX also demands system functions which make
681 globbing available to other applications. These are implemented as
682 part of libc. </p>
683
684 <p> There are a few quirks related to globbing which are worth to
685 point out. First, if no valid path matches the given pattern, the
686 expansion of the pattern is, by definition according to POSIX, the
687 pattern itself. This can lead to unexpected results. Second, files
688 which start with a dot (so-called <em>hidden</em> files) must be
689 matched explicitly. For example, <code>rm *</code> does <em>not</em>
690 remove these files. Third, the tilde character is <em>no</em> wildcard,
691 although it is also expanded by the shell. See the exercises for more
692 examples. </p>
693
694 <p> POSIX globbing has some limitations. For example, there is no
695 glob pattern which matches exactly those files that start with an
696 arbitrary number of <code>a</code> characters. To overcome these
697 limitations, some shells extend the matching language by implementing
698 <em>extended glob patterns</em> which are not covered by POSIX. For
699 example, if extended globbing feature of <code>bash(1)</code> is
700 activated via the <code>extglob</code> option, the extended glob
701 pattern <code>+(a)</code> matches the above set of files. </p>
702
703 SUBSECTION(«File Types»)
704
705 We have seen that all but the last component of a valid path refer
706 to directories while the last component may refer to either a file
707 or a directory. The first character in the output of <code>ls
708 -l</code> indicates the type of the last path component: for
709 directories a <code>d</code> character is shown while files (also
710 called <em>regular</em> files in this context) get a hyphen character
711 (<code>-</code>). Besides directories and regular files, the following
712 special file types exist:
713
714 <dl>
715         <dt> Soft link (<code>l</code>) </dt>
716
717         <dd> A file which acts as a pointer to another file. We shall cover
718         links in a dedicated subsection below. </dd>
719
720         <dt> Device node (<code>c</code> and <code>b</code>) </dt>
721
722         <dd> Also called <em>device special</em>. These files refer to devices
723         on the local system. Device nodes come in two flavors: character
724         devices (<code>c</code>) and block devices (<code>b</code>). Regardless
725         of the flavor, each device node has a major and a minor number
726         associated with it. The major number indicates the type of the
727         device (e.g. a hard drive, a serial connector, etc.) while the
728         minor number enumerates devices of the same type. On most systems
729         the device nodes are created and deleted on the fly as the set of
730         connected devices changes, for example due to a USB device being
731         added or removed. However, device nodes can also be created manually
732         with the <code>mknod(1)</code> command or the <code>mknod(2)</code>
733         system call. Device nodes do not necessarily correspond to physical
734         devices. In fact, POSIX demands the existence of a couple of
735         <em>virtual devices</em> with certain properties. We look at some of
736         these in the exercises. The access to device nodes which do correspond
737         to physical devices is usually restricted to privileged users. </dd>
738
739         <dt> Socket (<code>s</code>) </dt>
740
741         <dd> Sockets provide an interface between a running program and the
742         network stack of the kernel. They are subdivided into <em>address
743         families</em> which correspond to the various network protocols. For
744         example, the <code>AF_INET</code> and <code>AF_INET6</code> address
745         families are for internet protocols (IP) while <code>AF_LOCAL</code>
746         (also known as <code>AF_UNIX</code>) is used for communication between
747         processes on the same machine. These local sockets are also called
748         <em>Unix domain sockets</em>. They can be bound to a path which
749         refers to a file of type socket. Regardless of the address family,
750         processes can exchange data via sockets in both directions, but
751         the local sockets support additional features, like passing process
752         credentials to other processes. </dd>
753
754         <dt> Fifo (<code>p</code>) </dt>
755
756         <dd> Files of type <em>fifo</em> are also known as <em>named
757         pipes</em>. They associate a path with a kernel object that provides a
758         <em>First In, First Out</em> data channel for user space programs. Data
759         written to the fifo by one program can be read back by another program
760         in the same order. Fifos are created with the <code>mkfifo(1)</code>
761         command or the <code>mkfifo(3)</code> library function. </dd>
762 </dl>
763
764 <p> Note that the type of a file is never inferred from the path.
765 In particular the suffix of the path (everything after the last
766 dot) is just a convention and has no strict connection to the file
767 type. Also there is no difference between text and binary files. </p>
768
769 SUBSECTION(«Metadata and Inodes»)
770
771 <p> The <code>stat(2)</code> system call returns the metadata
772 of the file or directory that corresponds to the given path. The
773 <code>stat(1)</code> command is a simple program which executes this
774 system call and prints the thusly obtained metadata in human-readable
775 form, including the file type. This is done without looking at the
776 contents of the file because metadata are stored in a special area
777 called the <em>inode</em>. All types of files (including directories)
778 have an associated inode. Besides the file type, the inode stores
779 several other properties prescribed by POSIX. For example the file
780 size, the owner and group IDs, and the access permissions are all
781 stored in the inode. Moreover, POSIX requires to maintain three
782 timestamps in each inode: </p>
783
784 <ul>
785         <li> modification time (mtime): time of last content change. </li>
786
787         <li> access time (atime): time of last access. </li>
788
789         <li> status change time (ctime): time of last modification to the
790         inode. </li>
791 </ul>
792
793 <p> To illustrate the difference between the mtime and the ctime,
794 consider the <code>chgrp(1)</code> command which changes the group
795 ID of the file or directory identified by its path argument. This
796 command sets the ctime to the current time while the mtime is left
797 unmodified. On the other hand, commands which modify the contents of
798 a file, such as <code>echo foo >> bar</code>, change both the mtime
799 and the ctime. </p>
800
801 <p> The inode of each file or directory contains twelve <em>mode
802 bits</em>, nine of which are the <em>permission bits</em> which
803 control who is allowed to access the file or directory, and how. The
804 permission bits are broken up into three classes called <em>user</em>
805 (<code>u</code>), <em>group</em> (<code>g</code>) and <em>others</em>
806 (<code>o</code>). Some texts refer to the first and last class as
807 "owner" and "world" instead, but we won't use this naming to avoid
808 confusion. Each class contains three bits. The bits of the "user"
809 class apply to the file owner, that is, the user whose ID is stored in
810 the inode. The "group" category applies to all non-owners who belong
811 to the group whose ID is stored in the inode. The third category
812 applies to all remaining users. The three bits of each class refer to
813 read/write/execute permission. They are therefore named <code>r</code>,
814 <code>w</code> and <code>x</code>, respectively. The permission
815 bits mean different things for directories and non-directories,
816 as described below. </p>
817
818 <table>
819         <tr>
820                 <th> &nbsp;&nbsp; </th>
821                 <th> Directories </th>
822                 <th> Non-directories </th>
823         </tr> <tr>
824                 <th> <code>r</code> </th>
825
826                 <td> The permission to list the directory contents. More precisely,
827                 this bit grants the permission to call <code>opendir(3)</code>
828                 to obtain a handle to the directory which can then be passed to
829                 <code>readdir(3)</code> to obtain the directory contents. </td>
830
831                 <td> If read permission is granted, the <code>open(2)</code> system
832                 call does not fail with the <code>permission denied</code> error,
833                 provided the file is opened in read-only mode. The system call may
834                 fail for other reasons, though.
835
836         </tr> <tr>
837                 <th> <code>w</code> </th>
838
839                 <td> The permission to add or remove directory entries. That is,
840                 to create new files or to remove existing files. Note that write
841                 permission is not required for the file that is being removed. </td>
842
843                 <td> Permission to open the file in write-only mode in order
844                 to perform subsequent operations like <code>write(2)</code>
845                 and <code>truncate(2)</code> which change the contents of the
846                 file. Non-directories are often opened with the intention to both
847                 read and write. Naturally, such opens require both read and write
848                 permissions. </td>
849
850         </tr> <tr>
851                 <th> <code>x</code> </th>
852
853                 <td> The permission to <em>search</em> the directory. Searching
854                 a directory means to access its entries, either by retrieving
855                 inode information with <code>stat(2)</code> or by calling
856                 <code>open(2)</code> on a directory entry. </td>
857
858                 <td> Run the file. This applies to <em>binary executables</em> as well
859                 as to text files which start with a <em>shebang</em>, <code>#!</code>,
860                 followed by the path to an interpreter. We shall cover file execution
861                 in more detail below. </td>
862
863         </tr>
864 </table>
865
866 <p> To run the regular file <code>/foo/bar/baz</code>, search
867 permission is needed for both <code>foo</code> and <code>bar</code>,
868 and execute permission is needed for <code>baz</code>. Similarly, to
869 open the regular file <code>foo/bar</code> for reading, we need execute
870 permissions on the current working directory and on <code>foo</code>,
871 and read permissions on <code>bar</code>. </p>
872
873 <p> A <em>numeric permission mode</em> is a three octal digit (0-7)
874 number, where the digits correspond to the user, group, other classes
875 described above, in that order. The value of each digit is derived by
876 adding up the bits with values 4 (read), 2 (write), and 1 (execute).
877 The following table lists all eight possibilities for each of the
878 three digits. </p>
879
880 <table>
881         <tr>
882                 <th> Octal Value </th>
883                 <th> Symbolic Representation </th>
884                 <th> Meaning </th>
885         </tr> <tr>
886                 <td> 0 </td>
887                 <td> <code>---</code> </td>
888                 <td> no permissions at all </td>
889         </tr> <tr>
890                 <td> 1 </td>
891                 <td> <code>--x</code> </td>
892                 <td> only execute permission </td>
893         </tr> <tr>
894                 <td> 2 </td>
895                 <td> <code>-w-</code> </td>
896                 <td> only write permission </td>
897         </tr> <tr>
898                 <td> 3 </td>
899                 <td> <code>-wx</code> </td>
900                 <td> write and execute permission </td>
901         </tr> <tr>
902                 <td> 4 </td>
903                 <td> <code>r--</code> </td>
904                 <td> only read permission </td>
905         </tr> <tr>
906                 <td> 5 </td>
907                 <td> <code>r-x</code> </td>
908                 <td> read and execute permission </td>
909         </tr> <tr>
910                 <td> 6 </td>
911                 <td> <code>rw-</code> </td>
912                 <td> read and write permission </td>
913         </tr> <tr>
914                 <td> 7 </td>
915                 <td> <code>rwx</code> </td>
916                 <td> read, write and execute permission </td>
917         </tr>
918 </table>
919
920 <p> The <code>chmod(1)</code> command changes the permission
921 bits of the file identified by the path argument. For example,
922 <code>chmod 600 foo</code> sets the permissions of <code>foo</code> to
923 <code>rw-------</code>. Besides the octal values, <code>chmod(1)</code>
924 supports symbolic notation to address the three classes described
925 above: <code>u</code> selects the user class, <code>g</code> the
926 group class, <code>o</code> the class of other users. The symbolic
927 value <code>a</code> selects all three classes. Moreover, the letters
928 <code>r</code>, <code>w</code> and <code>x</code> are used to set or
929 unset the read, write and execute permission, respectively. The above
930 command is equivalent to <code>chmod u=rw,g=---,o=--- foo</code>. The
931 <code>+</code> and <code>-</code> characters can be specified instead
932 of <code>=</code> to set or unset specific permission bits while
933 leaving the remaining bits unchanged. For example <code>chmod go-rw
934 foo</code> turns off read and write permissions for non-owners. </p>
935
936 <p> Unprivileged users can only change the mode bits of their own
937 files or directories while there is no such restriction for the
938 superuser. </p>
939
940 SUBSECTION(«Hard and Soft Links»)
941
942 <p> Links make it possible to refer to identical files through
943 different paths. They come in two flavors: hard and soft. Both
944 types of links have advantages and disadvantages, and different
945 limitations. We start with hard links because these existed already
946 in the earliest Unix versions. </p>
947
948 <p> A file can have more than one directory entry that points to its
949 inode. If two directory entries point to the same inode, they are
950 said to be <em> hard links</em> of each other. The two entries are
951 equivalent in that they refer to the same file. It is impossible
952 to tell which of the two is the "origin" from which the "link"
953 was created. Hard links are created with the <code>link(2)</code>
954 system call or the <code>ln(1)</code> command. Both take two path
955 arguments, one for the existing file and one for the directory entry
956 to be created. The filesystem maintains in each inode a link counter
957 which keeps track of the number of directory entries which point to the
958 inode. The <code>link(2)</code> system call increases the link count
959 while <code>unlink(2)</code> decrements the link count and removes
960 the directory entry. If the decremented counter remains positive,
961 there is still at least one other directory entry which points to
962 the inode. Hence the file is still accessible through this other
963 directory entry and the file contents must not be released. Otherwise,
964 when the link counter reached zero, the inode and the file contents
965 may be deleted (assuming the file is not in use). </p>
966
967 <p> There are several issues with hard links. For one, hard links
968 can not span filesystems. That is, the two path arguments for
969 <code>link(2)</code> have to refer to files which reside on the
970 same filesystem. Second, it is problematic to create hard links to
971 directories. Early Unix systems allowed this for the superuser,
972 but on Linux the attempt to hard-link a directory always fails.
973 To address the limitations of hard links, <em>soft links</em>, also
974 called <em>symbolic links</em> (or <em>symlinks</em> for short),
975 were introduced. A soft link can be imagined as a special text file
976 containing a single absolute or relative path, the <em>target</em> of
977 the link. For relative paths the implied leading part is the directory
978 that contains the link. A soft link is thus a named reference in
979 the global hierarchy of files. Unlike hard links, the soft link
980 and its target do not need to reside on the same filesystem, and
981 there is a clear distinction between the link and its target. Soft
982 links are created with <code>symlink(2)</code> or by specifying the
983 <code>-s</code> option to the <code>ln(1)</code> command. </p>
984
985 <p> A soft link and its target usually point to different inodes. This
986 raises the following question: Should system calls which receive a
987 path argument that happens to be a soft link operate on the link
988 itself, or should they <em>follow</em> (or <em>dereference</em>)
989 the link and perform the operation on the target? Most system calls
990 follow soft links, but some don't. For example, if the path argument
991 to <code>chdir(2)</code> happens to be a soft link, the link is
992 dereferenced and the working directory is changed to the target of
993 the link instead. The <code>rename(2)</code> system call, however,
994 does not follow soft links and renames the link rather than its
995 target. Other system calls, including <code>open(2)</code>, allow
996 the caller to specify the desired behaviour by passing a flag to the
997 system call. For yet others there is a second version of the system
998 call to control the behaviour. For example, <code>lstat(2)</code> is
999 identical to <code>stat(2)</code>, but does not follow soft links. </p>
1000
1001 <p> It is possible for a soft link to refer to an invalid path. In
1002 fact, <code>ln(1)</code> and <code>symlink(2)</code> do not consider
1003 it an error if the target does not exist, and happily create a soft
1004 link which points to an invalid path. Such soft links are called
1005 <em>dangling</em> or <em>broken</em>. Dangling soft links also occur
1006 when the target file is removed or renamed, or after a mount point
1007 change. </p>
1008
1009 <p> Soft links may refer to other soft links. System calls which
1010 follow soft links must therefore be prepared to resolve chains of
1011 soft links to determine the file to operate on. However, this is not
1012 always possible because soft links can easily introduce loops into the
1013 hierarchy of files. For example, the commands <code>ln -s foo bar;
1014 ln -s bar foo</code> create such a loop. System calls detect this
1015 and fail with the <code>Too many levels of symbolic links</code>
1016 error when they encounter a loop. </p>
1017
1018 <p> Another issue with both soft and hard links is that there is no
1019 simple way to find all directory entries which point to the same path
1020 (soft links) or inode (hard links). The only way to achieve this is
1021 to traverse the whole hierarchy of files. This may be prohibitive
1022 for large filesystems, and the result is unreliable anyway unless
1023 the filesystems are mounted read-only. </p>
1024
1025 <p> It is possible to choose among all possible paths which refer
1026 to the same file a <em>canonical</em> path, that is, a shortest
1027 (counting characters) absolute path which does not contain any soft
1028 links. In fact, the POSIX standard requires each Unix system library
1029 to provide the <code>realpath()</code> library function which performs
1030 the following substitutions on the given path: First, the path to
1031 the current working directory is prepended if the given path is
1032 relative (does not begin with a slash). Second, symbolic links are
1033 replaced by their targets. Third, any occurrences of <code>/.</code>
1034 and <code>foo/..</code> are removed. The thusly transformed path is
1035 returned by the function as the canonical path. </p>
1036
1037 <p> Each path can be canonicalized in this way, but not all paths
1038 which refer to the same file give rise to the same canonical path. For
1039 example, <code>/tmp/foo</code> and <code>/tmp/bar</code> could refer
1040 to regular files which are hard links of each other. In this case the
1041 paths refer to the same file, yet the paths are different and already
1042 canonicalized. The same can happen when a file system (or a subtree
1043 of it) is <em>bind mounted</em>. That is, the file system tree is
1044 visible at two or more locations in the global directory tree. </p>
1045
1046 EXERCISES()
1047
1048 <ul>
1049         <li> A path can lack both slashes and components. Give an example
1050         of a path that lacks a slash and another example of a path that has
1051         no components.  </li>
1052
1053         <li> Assume <code>foo</code> is an existing directory. Guess what the
1054         command <code>mv foo bar</code> will do in each of the following cases:
1055         (a) <code>bar</code> does not exist, (b) <code>bar</code> exists and
1056         is a regular file, (c) <code>bar</code> exists and is a directory.
1057         Verify your guess by running the command. </li>
1058
1059         <li> Many programs check if a path is valid and act differently
1060         according to the result. For example, a shell script might
1061         check for the existence of a file with code like <code>if test
1062         -e "$file"; do something_with "$file"; fi</code>. Explain
1063         why this approach is not bullet-proof. How could this be
1064         fixed? </li>
1065
1066         <li> Run <code>touch file-{1..100}</code> to create 100 files. Guess
1067         what the following commands will print. Run each command to confirm.
1068
1069         <ul>
1070                 <li> <code>ls file-</code> </li>
1071                 <li> <code>ls file-*</code> </li>
1072                 <li> <code>ls file-?</code> </li>
1073                 <li> <code>ls file-[1-4]</code> </li>
1074                 <li> <code>ls file-[1,3,5,7,9]*</code> </li>
1075         </ul>
1076         </li>
1077
1078         <li> Find an extended glob pattern for <code>bash(1)</code>
1079         that matches all valid paths whose last component starts with
1080         <code>file-</code>, followed by any number of odd digits (1, 3, 5,
1081         7, or 9). </li>
1082
1083         <li> Point out the flaw in the following shell code: <code>for
1084         f in file-*; do something_with "$f"; done</code>. Hint: Search
1085         <code>bash(1)</code> for "nullglob".
1086
1087         <li> Create a file named <code>-r</code> with <code>echo >
1088         -r</code>. Try to remove the file with <code>rm -r</code> and
1089         discuss why this doesn't work as expected. Find a way to get rid
1090         of the file. Discuss what happens if you run <code>rm *</code> in a
1091         directory which contains a file named <code>-r</code>. </li>
1092
1093         <li> The content of the <code>PATH</code> variable is a
1094         colon-separated list of directories in which the shell looks for
1095         commands to execute. Discuss the dangers of including the current
1096         working directory in this list. </li>
1097
1098         <li> Run <code>id</code> to determine a group <code>G</code> you
1099         belong to but is not your primary group. Consider the following
1100         commands <code>mkdir foo; chgrp $G foo; touch foo/bar</code>. What
1101         is the group ID of <code>foo/bar</code>? Run the same commands, but
1102         insert <code>chmod g+s foo</code> as the second-to-last command. </li>
1103
1104         <li> Run <code>man null</code> and <code>man zero</code> to learn
1105         about the properties of these two character devices. </li>
1106
1107         <li> Assume the modification time stored in the inode of some file
1108         suggests that the file was last modified two years ago. How sure
1109         can you be that the file was never changed since then? Hint: See the
1110         <code>-d</code> option of <code>touch(1)</code>. </li>
1111
1112         <li> Run the following commands <code>echo hello > foo</code>,
1113         <code>cat foo</code>, <code>chmod 600 foo</code>, <code>echo world >>
1114         foo</code>. Check the three timestamps with <code>stat foo</code>
1115         after each command. </li>
1116
1117         <li> Determine the state of the permission bits of your own
1118         home directory by running <code>ls -ld ~</code>. Who can
1119         access its contents? Also look at the permission bits of
1120         other people's home directory. </li>
1121
1122         <li> A file or directory is called <em>world-writeable</em>
1123         if the <code>w</code> bit is set in the <code>others</code>
1124         class of the permission bits. Create a world-writable
1125         directory with <code>mkdir foo; chmod 777 foo</code>
1126         and create a file in the new directory: <code>echo hello
1127         > foo/bar</code>. Is a different user allowed to create
1128         another file there (<code>echo world > foo/baz</code>)? Can
1129         he remove it again (<code>rm foo/baz</code>)? Will he succeed
1130         in removing <code>foo/bar</code> although it is owned by you
1131         and <em>not</em> writable to him? Try the same with the sticky
1132         bit turned on (<code>chmod 1777 foo</code>). </li>
1133
1134         <li> Translate <code>rw-r--r--</code> into octal, and 755 into
1135         <code>rwx</code>-notation. </li>
1136
1137         <li> Create a <a href="#hello_world">hello world script</a>, make it
1138         executable and run it. Create a subdirectory of your home directory
1139         and move the script into this directory. Set the permissions of the
1140         directory to <code>r--------</code>, check whether you still can
1141         list/execute it. Do the same with <code>--x------</code>. </li>
1142
1143         <li> Create a file with <code>echo hello > foo</code>,
1144         create soft and hard links with <code>ln -s foo soft</code>
1145         and <code>ln foo hard</code>. Examine the inode numbers
1146         and link counts using the command <code>stat foo soft
1147         hard</code>. Remove <code>foo</code> and repeat. Try to
1148         access the file content through both links. Guess what
1149         <code>realpath foo soft hard</code> will print. Run the
1150         command to confirm. </li>
1151
1152         <li> Create a dangling symlink with <code>ln -s /nope foo</code>. Would
1153         you expect the commands <code>ls -l foo</code> and <code>cat foo</code>
1154         succeed? Run these commands to verify your guess. </li>
1155
1156         <li> One of the seven Unix file types is symlink. Why is there no
1157         file type for hard links? </li>
1158 </ul>
1159
1160 HOMEWORK(«
1161 Given two paths, how can one tell if they refer to the same file?
1162 », «
1163
1164 Among other information, the metadata record of each file contains the
1165 so-called <em>inode number</em>, which uniquely identifies the file
1166 within the file system that contains the file. Therefore, if both
1167 paths are known to refer to files stored on the same file system,
1168 a comparison of the two inode numbers is sufficient to tell whether
1169 the two paths refer to the same file. The inode number can be obtained
1170 with the command <code>ls -i</code>.
1171
1172 In the general case one additionally has to check that the
1173 two <code>device IDs</code> which identify the underlying file
1174 systems are also identical. Like the inode number, the device ID
1175 is part of the metadata of the file. It can be obtained by running
1176 <code>stat(1)</code>.
1177
1178 »)
1179
1180 HOMEWORK(«
1181 Device nodes come in two flavors: Character and block devices. Explain
1182 the difference between the two device flavors.
1183 »)
1184
1185 HOMEWORK(«
1186
1187 <ul>
1188         <li> Nine of the 12 mode bits of each file are the permission
1189         bits. The remaining three are the <em>sticky</em>, <em>setuid</em>
1190         and <em>setgid</em> bits. Explain the purpose of each. </li>
1191
1192         <li> Run <code>find /usr/bin/ -perm -2000 -ls</code> to see all SUID
1193         executables in <code>/usr/bin</code>. Discuss why those programs have
1194         the SUID bit set. </li>
1195 </ul>
1196
1197 »)
1198
1199 HOMEWORK(«
1200 How many possible permission modes exist for a file or directory on
1201 a Unix System?
1202 », «
1203 There are nine permission bits that can be turned on and off
1204 independently. Hence we have 2^9=512 possibilities. When taking into
1205 account the three special bits (sticky, setuid, setgid), the number
1206 increases to 2^12=4096.
1207 »)
1208
1209 HOMEWORK(«
1210 Explain each command of the <a href="«#»symlink_madness">script</a>
1211 below. Show the arrangement of all files and links in a figure,
1212 drawing a directory as a circle and a file as a square.  How many
1213 different paths exist for the file <code> a</code>? Discuss whether
1214 the question "What's the path of a given file?" makes sense.
1215
1216 », «
1217
1218 <div>
1219 <svg
1220         width="150" height="125"
1221         xmlns="http://www.w3.org/2000/svg"
1222         xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"
1223 >
1224         <marker
1225                 id="slm_arrow"
1226                 viewBox="0 0 10 10" refX="5" refY="5"
1227                 markerWidth="4" markerHeight="4"
1228                 orient="auto-start-reverse">
1229                 <path d="M 0 0 L 10 5 L 0 10 z" />
1230         </marker>
1231         <circle
1232                 fill="#ccc"
1233                 stroke-width="1"
1234                 stroke="black"
1235                 r=20
1236                 cx=51
1237                 cy=21
1238         />
1239         <text
1240                 x="51"
1241                 y="21"
1242                 stroke="black"
1243                 text-anchor="middle"
1244                 dy="0.3em"
1245         >foo</text>
1246         <rect
1247                 fill="#ccc"
1248                 stroke-width="1"
1249                 stroke="black"
1250                 x=1
1251                 y=81
1252                 width="40"
1253                 height="40"
1254                 rx="5"
1255         />
1256         <text
1257                 x="21"
1258                 y="101"
1259                 stroke="black"
1260                 text-anchor="middle"
1261                 dy="0.3em"
1262         >a</text>
1263         <ellipse
1264                 cx=81
1265                 cy=101
1266                 rx=30
1267                 ry=20
1268                 fill="#ccc"
1269                 stroke-width="1"
1270                 stroke="black"
1271         />
1272         <text
1273                 x="81"
1274                 y="101"
1275                 stroke="black"
1276                 text-anchor="middle"
1277                 dy="0.3em"
1278         >testdir</text>
1279         <line
1280                 stroke="black"
1281                 stroke-width="1"
1282                 x1="41"
1283                 y1="45"
1284                 x2="24"
1285                 y2="75"
1286         />
1287         <line
1288                 stroke="black"
1289                 stroke-width="1"
1290                 x1="61"
1291                 y1="45"
1292                 x2="77"
1293                 y2="75"
1294         />
1295         <path
1296                 d="
1297                         M 118,101
1298                         C 150,90 150,30 80,20
1299                 "
1300                 stroke-width="2"
1301                 stroke="black"
1302                 fill="none"
1303                 marker-end="url(#slm_arrow)"
1304         />
1305 </svg>
1306 </div>
1307
1308 Since <code> foo/a</code>, <code> foo/testdir/a</code>, <code>
1309 foo/testdir/testdir/a </code> etc. all refer to the same file, there
1310 are infinitely many paths for the file <code> a</code>. Hence the
1311 question makes no sense: There is no such thing as <em> the </em>
1312 path to a file.
1313
1314 »)
1315
1316 HOMEWORK(«
1317
1318 Recall that the path component <code>..</code> refers to the
1319 parent directory. Give an example of a path to a directory where
1320 "parent directory" and "directory identified by the path obtained by
1321 removing the last path component" are different. Which of the two
1322 interpretations of <code>..</code> does bash apply when you type
1323 <code>cd ..</code> at the bash prompt?
1324
1325 »)
1326
1327 SECTION(«Processes»)
1328
1329 <p> A <em>program</em> consists of instructions and data stored in
1330 a regular file. A <em> user process</em> is an instance of a running
1331 program. This is in contrast to <em>kernel processes</em> which are
1332 created directly by the kernel and have no relationship to executable
1333 files. Since we shall only be concerned with user processes, we will
1334 refer to these as "processes" from now on. In this section we'll see
1335 how processes are created and removed. We will then take a closer look
1336 at the enviroment of a process and discuss how processes communicate
1337 with each other. </p>
1338
1339 SUBSECTION(«Process Tree, Zombies and Orphans»)
1340
1341 <p> When the system boots, there is only one process, the
1342 <em>init</em> process, which is created by the kernel at the end
1343 of the boot sequence by executing <code>/sbin/init</code>. All
1344 other processess are created from existing processes by means of
1345 the <code>fork(2)</code> system call. The process which called
1346 <code>fork(2)</code> is said to be the <em>parent</em> of the newly
1347 created <em>child</em>. After <code>fork(2)</code> returns, both
1348 parent and child are executing independently of each other. Both
1349 processes may call <code>fork(2)</code> again to create further
1350 processes. This gives rise to a tree structure where the processes
1351 are the nodes of the tree with init being the root node. The edges
1352 of the tree describe the parent-child relationships. </p>
1353
1354 <p> If there are more processes than CPUs, not all processes can
1355 run simultaneously. It is the mission of the kernel's <em>task
1356 scheduler</em> to assign processes to CPUs and to perform <em>context
1357 switches</em>. That is, to take away the CPU from a running process
1358 in order to give another process the chance to run. The scheduler
1359 has to choose the duration of each process' time slice and it must
1360 pick the process to switch to when the time slice of the current
1361 process has expired or the process gives up the CPU voluntarily, for
1362 example because it is waiting for an I/O operation to complete. This
1363 is a non-trivial task at least for modern multi-CPU systems with
1364 <em>non-uniform memory access</em> (NUMA) where the memory access times
1365 depend on the memory location and the processor core. Things don't
1366 get easier if the CPU clock speed can vary and/or scheduling must be
1367 power-aware to optimize battery time. To make good decisions, some
1368 information has to be provided by the processes or by a system-wide
1369 policy. One elementary way to prioritize certain processes over others
1370 is via <em>nice levels</em> which we shall discuss below. </p>
1371
1372 <p> The normal way for a process to terminate is to call
1373 <code>exit(3)</code> after it has done its work. This function
1374 transfers an integer value, the <em>exit status</em>, to the
1375 kernel. The exit status can only be retrieved by the parent of
1376 the terminating process. To illustrate this concept, imagine an
1377 interactive shell which creates one child each time the user enters
1378 a command. The children are short living while the parent, the shell,
1379 stays around for much longer. During command execution the parent needs
1380 to wait for its child to terminate. It may then want to tell whether
1381 the child has terminated successfully. To achieve this, the parent
1382 calls one of the <em>wait</em> system calls (<code>wait(2)</code>,
1383 <code>waitpid(2)</code>, <code>waitid(2)</code>) which block until the
1384 child has terminated, then return the child's exit status. After the
1385 child called <code>exit(3)</code> but before the parent has called
1386 one of the wait functions, the kernel needs to keep at least the
1387 exit status (and possibly further information) about the terminated
1388 child. During this time window the child has already terminated but
1389 a part of it still exists in kernel memory. Processes in this state
1390 are aptly called <em>zombies</em>. </p>
1391
1392 <p> Unlike in the shell scenario outlined above, a process might well
1393 have any number of children at the time it terminates. Its children
1394 then become <em>orphans</em> as they lose their parent. The kernel
1395 cannot simply remove the terminated process from the process tree
1396 because this would disconnect its orphaned children from the other
1397 processes in the tree, destroying the tree structure. To avoid this,
1398 orphans are <em>reparented to init</em>, that is, made children
1399 of the init process. This works because the init process never
1400 terminates. </p>
1401
1402 <p> There are several programs which show information about
1403 processes. The POSIX <code>ps(1)</code> command prints a list of
1404 processes. It has many options that control which processes are
1405 shown and how the output is formatted. Similar programs which are not
1406 covered by POSIX are <code>pstree(1)</code>, <code>top(1)</code> and
1407 <code>htop(1)</code>. The former shows the tree structure while the
1408 latter two provide a dynamic real-time view of the process tree. The
1409 exercises of this section invite the reader to become familiar with
1410 these essential programs. </p>
1411
1412 SUBSECTION(«File Execution»)
1413
1414 <p> When a process calls <code>fork(2)</code>, the newly created
1415 child process starts out as a copy of the calling process. However,
1416 the reason to create a new process is usually to let the child do
1417 something different than the parent. Therefore, <code>fork(2)</code>
1418 is often followed by a second system call which replaces the child
1419 process with a different program. There are several similar system
1420 calls which do this, with slight semantic differences. We refer to
1421 this family of system calls as the <em>exec system calls</em>. </p>
1422
1423 <p> All exec system calls receive a path argument from which they
1424 determine an executable file that contains the program to run. Linux
1425 and BSD store executables in <em>Executable and Linkable Format</em>
1426 (ELF). Executables are typically linked <em>dynamically</em>.
1427 That is, the dependent libraries (at least libc, but possibly many
1428 more) are loaded at runtime from separate files. This is in contrast
1429 to <em>static linking</em> which includes all dependencies in the
1430 executable, making the executable self-contained but also larger
1431 and harder to maintain. Regardless of the type of linking, when the
1432 program is loaded, it completely replaces the previously running
1433 program. Note that there can be more than one process at the same
1434 time which executes the same program. </p>
1435
1436 <p> Files in ELF format are called <em>native</em> executables because
1437 they contain machine instructions which can be executed directly
1438 by the CPU. Another type of executables are <em>scripts</em>,
1439 also known as <em>interpreter files</em>. Scripts are text files
1440 which start with the <em>shebang</em> (<code>#!</code>). They can
1441 not run directly but have to be <em>interpreted</em> at runtime
1442 by another program, the <em>interpreter</em>. Nevertheless, it is
1443 possible to execute a script as if it were a native executable:
1444 by passing the path to one of the exec system calls or by typing
1445 the path at the shell prompt. The exec system call recognizes that
1446 the given file is a script by investigating the first line, which
1447 contains the path to the interpreter after the shebang, optionally
1448 followed by options to the interpreter. The kernel then executes the
1449 interpreter rather than the script, passing the path to the script as
1450 an argument. For example, if <code>/foo/bar</code> is being executed,
1451 and the first line of this file is <code>#!/bin/sh</code>, the kernel
1452 executes <code>/bin/sh /foo/bar</code> instead. Popular interpreters
1453 besides <code>/bin/sh</code> include <code>/bin/bash</code>,
1454 <code>/usr/bin/perl</code>, <code>/usr/bin/python</code> and
1455 <code>/usr/bin/awk</code>. </p>
1456
1457 SUBSECTION(«File Descriptions and File Descriptors»)
1458
1459 <p> The kernel must always be aware of the set of all objects which are
1460 currently in use. This set is often called the <em>system-wide table
1461 of open files</em> although not all entries refer to files. In fact, an
1462 entry may refer to any object that supports I/O operations, for example
1463 a network socket. Each entry is called a <em>file description</em>,
1464 which is a somewhat unfortunate term that was coined by POSIX. A
1465 file description records information about the object itself as well
1466 as the current state of the reference, including the file offset,
1467 if applicable, and the <em>status flags</em> which affect how future
1468 I/O operations are going to be performed through this reference. </p>
1469
1470 <p> The kernel maintains for each process an array of pointers to file
1471 descriptions. Each such pointer is a <em>file descriptor</em>. Unlike
1472 files and file descriptions, a file descriptor always corresponds
1473 to a process and is identified by a non-negative number, the index
1474 into the pointer array of that process. This index is returned by
1475 system calls like <code>open(2)</code> or <code>socket(2)</code>.
1476 As far as user space programs are concerned, a file descriptor is
1477 synonymous with this integer. It can be regarded as an abstract
1478 <em>handle</em> that must be supplied to subsequent I/O operations
1479 like <code>read(2)</code> or <code>write(2)</code> to tell the system
1480 call the target object of the operation. </p>
1481
1482 <p> The shell automatically creates three file descriptors for each
1483 process which are identified by the integers 0, 1 and 2. They are
1484 called <em>stdin</em>, <em>stdout</em>, and <em>stderr</em>, which is
1485 short for <em>standard input/output/error</em>. It is possible, and in
1486 fact common, that all three file descriptors point to the same file
1487 description: the terminal device. Many command line tools read their
1488 input from stdin, write normal output to stdout, and error messages
1489 to stderr. For example, when the POSIX command <code>cat(1)</code>
1490 is invoked with no arguments, it reads data from stdin and writes
1491 the same data to stdout. </p>
1492
1493 SUBSECTION(«Signals»)
1494
1495 <p> Signals are another ancient Unix concept that dates back to the
1496 early 1970s and was standardized in POSIX long ago. This concept
1497 facilitates a rudimentary form of <em>inter process communication</em>
1498 (IPC) between unrelated processes. Signals can be regarded as software
1499 interrupts that transmit a notification event from the sending process
1500 to the target process. The event is sent <em>asynchronously</em>,
1501 meaning that the interruption can happen at any location of the code
1502 flow. </p>
1503
1504 <p> It is fair to say that most non-trivial programs, including
1505 scripts, have to deal with signals. All major scripting languages
1506 (bash, python, perl, ruby, etc.) provide an API for signal
1507 handling. The interpreter of the scripting language ends up calling
1508 the POSIX system functions, so we will only look at these. </p>
1509
1510 <p> Signals are identified by name or by a numerical ID. For example,
1511 <code>SIGINT</code> (interrupt from keyboard) is the name for signal
1512 number 2. POSIX defines 31 <em>standard signals</em> plus at least
1513 eight <em>real-time signals</em>. The standard signals can be
1514 subdivided according to the origin of the signal as follows. </p>
1515
1516 <dl>
1517         <dt> hardware related signals </dt>
1518
1519         <dd> These signals originate from <em>hardware traps</em> that force
1520         the CPU back into kernel mode. The kernel responds to the trap by
1521         generating a signal for the process that caused the trap. For example,
1522         a division by zero in a user space program triggers a hardware trap
1523         in the <em>floating point unit</em> (FPU) of the CPU. The kernel
1524         then generates the <code>SIGFPE</code> (floating-point exception)
1525         signal for the process. Another example for a signal that originates
1526         from a hardware trap is <code>SIGSEGV</code> (segmentation fault)
1527         which occurs when a process attempts to reference a memory address
1528         that has not been mapped (i.e., marked as valid) by the <em>memory
1529         management unit</em> (MMU) of the CPU. </dd>
1530
1531         <dt> kernel generated signals </dt>
1532
1533         <dd> Signals which originate from the kernel rather than from
1534         hardware. One example is <code>SIGCHLD</code> (child terminated),
1535         which is sent to the parent process when one of its child processes
1536         terminates. Another example is <code>SIGWINCH</code> (window resize),
1537         which is generated when the geometry of the controlling terminal of
1538         a process changes. </dd>
1539
1540         <dt> user-space generated signals </dt>
1541
1542         <dd> These signals can only originate from user space when a process,
1543         for example <code>kill(1)</code>, calls <code>raise(2)</code>
1544         or <code>kill(2)</code> to instruct the kernel to generate a
1545         signal. Examples are <code>SIGTERM</code>, which issues a termination
1546         request, and <code>SIGUSR1</code> and <code>SIGUSR2</code> which are
1547         reserved for use by application programs. </dd>
1548 </dl>
1549
1550 The following signals are used frequently and deserve to the described
1551 explicitly. We refer to <code>signal(7)</code> for the full list of
1552 signals and their semantics.
1553
1554 <dl>
1555         <dt> <code>SIGINT, SIGTERM</code> and <code>SIGKILL</code> </dt>
1556
1557         <dd> All three signals terminate the process by default.
1558         <code>SIGINT</code> is generated for the <em>foreground processes</em>
1559         when the <em>interrupt character</em> (CTRL+C) is pressed in a
1560         terminal. For example, if CTRL+C is pressed while the shell pipeline
1561         <code>find | wc </code> is executing, <code>SIGINT</code> is sent
1562         to both processes of the pipeline. <code>SIGTERM</code> is the
1563         default signal for the <code>kill(1)</code> command. It requests
1564         the target process to run its shutdown procedure, if any, then
1565         terminate. <code>SIGKILL</code> instructs the kernel to terminate the
1566         target process immediately, without giving the process the chance to
1567         clean up. This signal can originate from a process or from the kernel
1568         in response to running out of memory. To keep the system working, the
1569         kernel invokes the infamous <em>out of memory killer</em> (OOM killer)
1570         which terminates one memory-hungry process to free some memory. </dd>
1571
1572         <dt> <code>SIGSTOP</code>, <code>SIGTSTP</code> and <code>SIGCONT</code> </dt>
1573
1574         <dd> <code>SIGSTOP</code> instructs the task scheduler of the kernel to
1575         no longer assign any CPU time to the target process until the process
1576         is woken up by a subsequent <code>SIGCONT</code>. <code>SIGTSTP</code>
1577         (stop typed at terminal) stops all foreground processes of a terminal
1578         session. It is generated when the <em>stop character</em> (CTRL+Z)
1579         is pressed in a terminal. </dd>
1580 </dl>
1581
1582 <p> Processes may set the <em>signal disposition</em> of most signals
1583 to control what happens when the signal arrives. When no disposition
1584 has been set, the signal is left at its <em>default disposition</em> so
1585 that the <em>default action</em> is performed to deliver the signal.
1586 For most signals the default action is to terminate the process,
1587 but for others the default action is to <em>ignore</em> the signal.
1588 If the signal is neither ignored nor left at its default disposition,
1589 it is said to be <em>caught</em> by the process. To catch a signal the
1590 process must tell the kernel the address of a function, the <em>signal
1591 handler</em>, to call in order to deliver the signal. The set of
1592 signal dispositions of a process can thus be imagined as an array
1593 of function pointers with one pointer per possible signal. If the
1594 process catches the signal, the pointer points to the corresponding
1595 signal handler. A NULL pointer represents a signal that was left at
1596 its default disposition while the special value <code>SIG_IGN</code>
1597 indicates that the process explicitly asked to ignore this signal. </p>
1598
1599 <p> Signals can also be <em>blocked</em> and <em>unblocked</em>. When
1600 a signal is generated for a process that has it blocked, it remains
1601 <em>pending</em>. Pending signals cause no action as long as the
1602 signal remains blocked but the action will be performed once the
1603 signal gets unblocked. <code>SIGKILL</code> and <code>SIGSTOP</code>
1604 can not be caught, blocked, or ignored. </p>
1605
1606 <p> Real-time signals are similar to <code>SIGUSR1</code> and
1607 <code>SIGUSR2</code> in that they have no predefined meaning but
1608 can be used for any purpose. However, they have different semantics
1609 than the standard signals and support additional features. Most
1610 importantly, real-time signals are <em>queued</em>, meaning that in
1611 contrast to standard signals the same real-time signal can be pending
1612 multiple times. Also, the sending process may pass an <em>accompanying
1613 value</em> along with the signal. The target process can obtain this
1614 value from its signal handler along with additional information like
1615 the PID and the UID of the process that sent the signal. </p>
1616
1617 <p> Some system calls including <code>read(2)</code> and
1618 <code>write(2)</code> may block for an indefinite time. For
1619 example, reading from a network socket blocks until there is data
1620 available. What should happen when a signal arrives while the process
1621 is blocked in a system call? There are two reasonable answers: Either
1622 the system call is <em>restarted</em>, or the call fails with the
1623 <code>Interrupted system call</code> error. Unfortunately, different
1624 flavors of Unix handle this case differently by default. However,
1625 applications may request either behaviour by setting or clearing the
1626 <code>SA_RESTART</code> flag on a per-signal basis. </p>
1627
1628 SUBSECTION(«Environment of a Process»)
1629
1630 <p> Now that we have a rough understanding of processes we look
1631 closer at the information the kernel maintains for each process. We
1632 already discussed the array of file descriptors and the array of
1633 signal dispositions. Clearly both are process specific properties.
1634 As we shall see, there is much more what constitutes the environment
1635 of a process. </p>
1636
1637 <p> Each process is identified by a unique <em>process ID</em>
1638 (PID), which is a positive integer. The <code>init</code> process is
1639 identified by PID 1. PIDs are assigned in ascending order, but are
1640 usually restricted to the range 1..32767. After this many processes
1641 have been created, PIDs wrap and unused PIDs are recycled for new
1642 processes. Thus, on a busy system on which processes are created and
1643 terminated frequently, the same PID is assigned to multiple processes
1644 over time. </p>
1645
1646 <p> Not all processes call <code>fork(2)</code> to create a child
1647 process, but each process except the init process has a unique
1648 parent. As described before, this is either the "real" parent (the
1649 process which created the process earlier) or the init process that
1650 "adopted" the orphaned process in case the real parent terminated
1651 before the child. The process ID of the parent (PPID) is thus
1652 well-defined. A process can obtain its PID and PPID with the
1653 <code>getpid(2)</code> and <code>getppid(2)</code> system calls. </p>
1654
1655 <p> Each process runs on behalf of a user (possibly the superuser)
1656 which is identified by its <em>user ID</em> (UID) and belongs to
1657 one or more groups, identified by one or more <em>group IDs</em>
1658 (GIDs). The superuser is identified by UID zero. When we talked
1659 about the permission bits of files and directories, we said that
1660 suitable permissions are needed for system calls which operate on
1661 files (<code>open(2)</code>, <code>stat(2)</code>, etc.). A more
1662 precise statement is that the <em>process</em> which calls, say,
1663 <code>open(2)</code> needs to have these permissions. To decide this,
1664 the kernel needs to take into account the UID and GIDs of the process
1665 that called <code>open(2)</code>, the UID and the GID stored in the
1666 inode of the file that is being opened, and the permission bits of
1667 this file. The UID is also taken into account for <code>kill(2)</code>
1668 because unprivileged processes (non-zero UID) can only send signals
1669 to processes which run on behalf of the same user while the superuser
1670 may target any process. </p>
1671
1672 <p> Each process has a <em>current working directory</em> (CWD)
1673 associated with it. When the user logs in, the CWD of the login shell
1674 process is set to his <em>home directory</em>, which should always
1675 exist and have the read, write and execute permission bits set for
1676 the user. The CWD can later be changed with <code>chdir(2)</code>
1677 and be retrieved with <code>getcwd(3)</code>. The CWD is used as the
1678 starting point for path searches for relative paths. It affects most
1679 system calls which receive a path argument. For example, if the CWD
1680 is <code>/foo/bar</code> and the relative path <code>baz/qux</code>
1681 is passed to <code>open(2)</code>, the kernel will attempt to open
1682 the file which is identified by <code>/foo/bar/baz/qux</code>. </p>
1683
1684 <p> Many programs accept arguments to control their behavior.
1685 In addition to the path to the program that is to be executed,
1686 all variants of the exec system calls receive an array of arguments
1687 called the <em>argument vector</em>. For example, when the command
1688 <code>ls -l foo</code> is executed, the argument vector contains
1689 the two strings <code>"-l"</code> and <code>"foo"</code>. Note that
1690 the argument vector is not part of the program but is tied to the
1691 process. It is passed to the main function at startup so that the
1692 program may evaluate it and act accordingly. </p>
1693
1694 <p> Another way to pass information to a program is via <em>environment
1695 variables</em>. Environment variables are strings of the form
1696 <code>name=value</code>. POSIX describes the API to maintain the
1697 environment variables of a process. Environment variables are set
1698 with <code>setenv(3)</code> or <code>putenv(3)</code>, the value of a
1699 variable can be retrieved with <code>getenv(3)</code>, and a variable
1700 and its value can be deleted with <code>unsetenv(3)</code>. The set of
1701 environment variables is sometimes called the <em>environment</em>
1702 of the process, although we use this term in a broader sense to
1703 describe the entirety of all metadata maintained by the kernel about
1704 the process, including but not limited to environment variables. </p>
1705
1706 <p> Each process also has about a dozen <em>resource limits</em>
1707 that can be set and queried with the POSIX <code>setrlimit(2)</code>
1708 and <code>getrlimit(2)</code> functions. Each limit controls a
1709 different aspect. For example, <code>RLIMIT_CPU</code> limits the
1710 CPU time the process is allowed to use and <code>RLIMIT_NOFILE</code>
1711 controls how many open files it may have at a time. For each resource
1712 there is a <em>soft</em> and a <em>hard</em> limit. The kernel
1713 enforces the value stored as the soft limit. This value may be set
1714 by an unprivileged process to any value between zero and the hard
1715 limit. Unprivileged processes may also reduce (but not increase) their
1716 hard limits. Once a hard limit is reduced, it can not be increased
1717 any more. For <code>RLIMIT_CPU</code> a special convention applies:
1718 If the soft limit is reached, the kernel sends <code>SIGXCPU</code>
1719 (CPU time limit exceeded) to notify the process about this fact so
1720 that it can terminate orderly (e.g., remove temporary files). When
1721 the hard limit is reached, the kernel terminates the process as if
1722 it received <code>SIGKILL</code>. </p>
1723
1724 <p> The <em>nice level</em> of a process provides a hint for
1725 the task scheduler to give the process a lower or higher priority
1726 relative to other processes. Nice levels range between -20 and 19. A
1727 high nice level means that the process wants to be nice to other
1728 processes, that is, should run with reduced priority. Low nice levels
1729 indicate important processes that should be prioritized over other
1730 processes. The default nice level is zero. Unprivileged users may
1731 set the nice level of new processes with the <code>nice(1)</code>
1732 command to any non-negative value. They can also increase the nice
1733 level of their existing processes with <code>renice(1)</code>, but
1734 never decrease it. The superuser, however, may set the nice level
1735 of any process to an arbitrary value in the valid range. </p>
1736
1737 <p> The bulk of the properties discussed so far are inherited by the
1738 child after a <code>fork(2)</code>. Specifically, the child gets the
1739 same array of file descriptors and signal dispositions as its parent,
1740 runs on behalf of the same user, has the same working directory,
1741 the same resource limits and nice level, and also the same set
1742 of environment variables with identical values. The PID and PPID,
1743 however, are different of course. </p>
1744
1745 <p> After a process has called an exec function to replace itself with
1746 a new program, its signal handlers no longer exist because they were
1747 part of the program code which has been replaced. Therefore the exec
1748 system calls reset the disposition of all signals that were caught to
1749 the default disposition. Signals that were being ignored keep being
1750 ignored, however. </p>
1751
1752 SUBSECTION(«The Process Filesystem»)
1753
1754 <p> Although not covered by POSIX, at least Linux, NetBSD and FreeBSD
1755 provide information about processes via the <em>process filesystem</em>
1756 (procfs), which is usually mounted on <code>/proc</code>. The process
1757 filesystem is a <em>pseudo-filesystem</em>, i.e., it has no underlying
1758 storage device. Files and directories are faked by the kernel as they
1759 are accessed. Each process is represented by a numerical subdirectory
1760 of <code>/proc</code> which is named by the PID. For example,
1761 <code>/proc/1</code> represents the init process. The aforementioned
1762 process utilities (<code>ps(1)</code>, <code>top(1)</code>, etc.) read
1763 the contents of the process filesystem in order to do their job. <p>
1764
1765 <p> Each <code>/proc/[pid]</code> directory contains the same set
1766 of files although this set is different between Unixes. These files
1767 expose much of the environment of the process to user space. The Linux
1768 procfs implementation provides text files named <code>environ</code>
1769 and <code>limits</code> which contain the current environment and
1770 the resource limits of the process, respectively. Moreover, the
1771 file descriptor array of each process is exposed in the files of
1772 the <code>/proc/[pid]/fd</code> directory. Linux and NetBSD (but not
1773 FreeBSD) also provide a <code>cwd</code> soft link which points to
1774 the current working directory of the process. </p>
1775
1776 SUBSECTION(«Pipes and Redirections»)
1777
1778 <p> The <code>pipe(2)</code> system call takes no arguments and
1779 creates two file descriptors for the calling process which are tied
1780 together as a unidirectional first in, first out data channel. One
1781 file descriptor is the <em>read end</em> of the pipe, the other is
1782 the <em>write end</em>. Data written to the write end is buffered by
1783 the kernel and can be obtained by reading from the read end. </p>
1784
1785 <p> One application of pipes is communication between
1786 related processes. A process first creates a pipe, then calls
1787 <code>fork(2)</code> to create a child process. The child inherits
1788 a copy of both pipe file descriptors. Hence the parent process can
1789 communicate with the child by writing a message to the write end of
1790 the pipe for the child to read. </p>
1791
1792 <p> This approach depends on file descriptor inheritance across
1793 <code>fork(2)</code>, so it does not work in the situation
1794 where neither process is an ancestor of the other. Files of
1795 type <em>fifo</em> (named pipes) overcome this restriction. To
1796 establish a connection between two <em>unrelated</em> processes,
1797 both processes call <code>open(2)</code> to obtain a file
1798 descriptor which is associated with the fifo. One process passes
1799 the <code>O_WRONLY</code> flag to open the file for writing while
1800 the other passes <code>O_RDONLY</code> to open it for reading. The
1801 two processes may then communicate in the same way as with the
1802 <code>pipe(2)/fork(2)</code> approach. </p>
1803
1804 <p> The POSIX <code>dup(2)</code> and <code>dup2(2)</code> system
1805 calls allow a process to manipulate the entries of its file descriptor
1806 array. In particular the standard file descriptors 0, 1, and 2 can be
1807 replaced. By doing so before performing an exec system call, it can
1808 be arranged that the replacement program starts with, say, its stdout
1809 file descriptor be redirected to the write end of a pipe. Note that
1810 the replacement program does not need any modifications for this to
1811 work, and might not even be aware of the fact that it is not writing
1812 its output to the terminal as usual. </p>
1813
1814 <p> Shells employ this technique to implement the <code>|</code>
1815 operator which "pipes" the output of one command "into" another
1816 command. For example, the pipeline <code>ls | wc</code> works
1817 as follows: First the shell creates a pipe, then it calls
1818 <code>fork(2)</code> twice to create two processes which both
1819 get a copy of the two pipe file descriptors. The first process
1820 replaces its stdout file descriptor with the write end of the
1821 pipe and performs an exec system call to replace itself with the
1822 <code>ls(1)</code> program. The second process replaces its stdin
1823 file descriptor with the read end of the pipe and replaces itself
1824 with <code>wc(1)</code>. Since <code>ls(1)</code> writes to stdout
1825 and <code>wc(1)</code> reads from stdin, <code>wc(1)</code> processes
1826 the output of <code>ls(1)</code>. </p>
1827
1828 SUBSECTION(«Stdio»)
1829
1830 <p> The POSIX standard requires a compliant Unix system to provide
1831 a collection of functions that let applications perform input and
1832 output by means of operations on <em>streams</em>. This programming
1833 interface, known as <em>stdio</em> for <em>standard input/output</em>,
1834 is part of every Unix system since 1979. Every program which contains
1835 a <code>printf(3)</code> statement relies on stdio. </p>
1836
1837 <p> The stdio functions are implemented as part of libc on top of the
1838 <code>open(2)</code>, <code>read(2)</code> and <code>write(2)</code>
1839 system calls which are implemented in the kernel. Roughly speaking,
1840 stdio replaces the file descriptor API by a more abstract API
1841 which centers around streams. A stream is an opaque data structure
1842 which comprises a file descriptor and an associated data buffer for
1843 I/O. Each program has three predefined streams which correspond to
1844 the three standard file descriptors (stdin, stdout and stderr). The
1845 stdio API contains well over 50 functions to create and maintain
1846 streams and to perform I/O on streams. These functions take care of
1847 the characteristics of the underlying file description. For example,
1848 they automatically try to select the optimal I/O buffer size. </p>
1849
1850 <p> Many applications rely on stdio because of convenience. For
1851 one, the buffers for <code>read(2)</code> and <code>write(2)</code>
1852 must be allocated and freed explicitly by the application, and care
1853 must be taken to not overflow these buffers. With stdio, this task
1854 is done by the stdio library. Second, <em>formatted</em> I/O is
1855 much easier to do with the stdio functions because the programmer
1856 only has to provide a suitable <em>format string</em> to convert
1857 between the machine representation and the textual representation of
1858 numbers. For example, by passing the format string <code>"%f"</code>
1859 to <code>scanf(3)</code>, the programmer tells the stdio library to
1860 read a floating point number stored in textual representation from the
1861 specified stream, convert it to machine representation and store it
1862 in the given variable. The <code>fprintf(3)</code> function works the
1863 other way round: the value is converted from machine representation
1864 to text, and this text is written to the stream. Both functions can
1865 deal with various formats, like scientific notation for floating
1866 point numbers (e.g., 0.42E-23). With stdio it is easy to customize
1867 the formatted output, for example add leading zeros or select the
1868 number of decimal digits in the textual representation of a floating
1869 point number. </p>
1870
1871 <p> Another reason why many programs rely on stdio is that it performs
1872 <em>buffered</em> I/O. With buffered I/O not each read/write operation
1873 results in a system call. Instead, data read from or written to the
1874 stream is first stored in the user space buffer that is associated
1875 with the stream. This is a performance improvement for applications
1876 which perform many small I/O operations because every system call
1877 incurs some overhead. Buffers may be <em>flushed</em> explicitly by
1878 calling <code>fflush(3)</code>, or implicitly by the stdio library. The
1879 criteria which cause an implicit flush depend on the <em>buffering
1880 type</em> of the stream. Three buffering types exist. </p>
1881
1882 <dl>
1883         <dt> unbuffered </dt>
1884
1885         <dd> The stdio library does not buffer any reads or writes. Instead,
1886         each I/O operation results in a <code>read(2)</code> or
1887         <code>write(2)</code> system call. By default the stderr stream is
1888         unbuffered to display error messages as quickly as possible. </dd>
1889
1890         <dt> line buffered </dt>
1891
1892         <dd> System calls are performed when a newline character is
1893         encountered. This buffering type applies by default to interactive
1894         sessions where the file descriptor of the stream refers to a terminal
1895         device (as determined by <code>isatty(3)</code>). </dd>
1896
1897         <dt> fully buffered </dt>
1898
1899         <dd> I/O takes place only if the buffer of the stream is empty/full. By
1900         default, if the file descriptor refers to a regular file, the
1901         stream is fully buffered. POSIX requires that stderr is never fully
1902         buffered. </dd>
1903 </dl>
1904
1905 <p> The exercises on stdio focus on the three different buffering
1906 types because this is a common source of confusion. </p>
1907
1908 SUBSECTION(«The Virtual Address Space of a Process»)
1909
1910 <p> Isolation refers to the concept that each process gets its own
1911 <em>virtual address space</em>. A rough understanding of the memory
1912 management system and the layout of the virtual address space of
1913 a process helps to locate the source of common problems like the
1914 infamous <code>segmentation fault</code> error, and to realize that
1915 putatively simple questions such as "how much memory is my process
1916 currently using?" are in fact not simple at all, and need to be made
1917 more precise before they can be answered. </p>
1918
1919 <div>
1920
1921 define(«vas_width», «200»)
1922 define(«vas_height», «300»)
1923 define(«vas_vmem_left_margin», «5»)
1924 define(«vas_vmem_top_margin», «5»)
1925 define(«vas_mem_width», «20»)
1926 define(«vas_gap_width», «30»)
1927 define(«vas_vmem_height», «140»)
1928 define(«vas_vmem_color», «#34b»)
1929 define(«vas_pmem_height», «100»)
1930 define(«vas_pmem_color», «#7e5»)
1931 define(«vas_vmem_unmapped_color», «#a22»)
1932 define(«vas_vmem_swapped_color», «yellow»)
1933 define(«vas_pmem_unavail_color», «orange»)
1934 define(«vas_disk_gap», «15»)
1935 define(«vas_disk_height», «20»)
1936 define(«vas_disk_color», «grey»)
1937 define(«vas_x1», «vas_vmem_left_margin()»)
1938 define(«vas_x2», «eval(vas_x1() + vas_mem_width())»)
1939 define(«vas_x3», «eval(vas_x2() + vas_gap_width())»)
1940 define(«vas_x4», «eval(vas_x3() + vas_mem_width())»)
1941
1942 define(«vas_membox», «
1943         <rect
1944                 fill="$1" stroke="black" stroke-width="1"
1945                 x="eval(vas_vmem_left_margin() + $3)"
1946                 y="vas_vmem_top_margin()"
1947                 width="vas_mem_width()" height="$2"
1948         />
1949 »)
1950 define(«vas_vmem_unmapped_box», «
1951         <rect
1952                 fill="vas_vmem_unmapped_color()" stroke="black" stroke-width="1"
1953                 x="eval(vas_vmem_left_margin())"
1954                 y="eval(vas_vmem_top_margin() + $1)"
1955                 width="vas_mem_width()"
1956                 height="eval($2)"
1957         />
1958
1959 »)
1960 define(«vas_vmem_swapped_box», «
1961         <rect
1962                 fill="vas_vmem_swapped_color()" stroke="black" stroke-width="1"
1963                 x="eval(vas_vmem_left_margin())"
1964                 y="eval(vas_vmem_top_margin() + $1)"
1965                 width="vas_mem_width()"
1966                 height="eval($2)"
1967         />
1968
1969 »)
1970 define(«vas_pmem_unavail_box», «
1971         <rect
1972                 fill="vas_pmem_unavail_color()" stroke="black" stroke-width="1"
1973                 x="eval(vas_vmem_left_margin() + vas_mem_width() + vas_gap_width())"
1974                 y="eval(vas_vmem_top_margin() + $1)"
1975                 width="vas_mem_width()"
1976                 height="$2"
1977         />
1978
1979 »)
1980 define(«vas_vmem_hline», «
1981         <line
1982                 x1="vas_vmem_left_margin()"
1983                 y1="eval(vas_vmem_top_margin() + $1)"
1984                 x2="eval(vas_vmem_left_margin() + vas_mem_width())"
1985                 y2="eval(vas_vmem_top_margin() + $1)"
1986                 stroke-width="1"
1987                 stroke="black"
1988         />
1989
1990 »)
1991
1992 define(«vas_pmem_hline», «
1993         «<!-- pmem hline -->»
1994         <line
1995                 x1="eval(vas_vmem_left_margin() + vas_mem_width() + vas_gap_width())"
1996                 y1="eval(vas_vmem_top_margin() + $1)"
1997                 x2="eval(vas_vmem_left_margin() + 2 * vas_mem_width() + vas_gap_width())"
1998                 y2="eval(vas_vmem_top_margin() + $1)"
1999                 stroke-width="1"
2000                 stroke="black"
2001         />
2002
2003 »)
2004 define(«vas_arrow», «
2005         <line
2006                 x1="eval(vas_vmem_left_margin() + vas_mem_width())"
2007                 y1="eval(vas_vmem_top_margin() + $1)"
2008                 x2="eval(vas_vmem_left_margin() + vas_mem_width() + vas_gap_width() - 2)"
2009                 y2="eval(vas_vmem_top_margin() + $2)"
2010                 stroke-width="1"
2011                 stroke="black"
2012                 marker-end="url(#arrow)"
2013         />
2014 »)
2015 define(«vas_disk», «
2016         <rect
2017                 fill="vas_disk_color()" stroke="black" stroke-width="1"
2018                 x="vas_x3()"
2019                 y="eval(vas_vmem_top_margin() + vas_pmem_height()
2020                         + vas_disk_gap())"
2021                 width="eval(vas_x4() - vas_x3())"
2022                 height="eval(vas_disk_height())"
2023         />
2024         <ellipse
2025                 cx="eval(vas_x3() + vas_mem_width() / 2)"
2026                 cy="eval(vas_vmem_top_margin() + vas_pmem_height() + vas_disk_gap())"
2027                 rx="eval(vas_mem_width() / 2)"
2028                 ry="eval(vas_mem_width() / 4)"
2029                 fill="vas_disk_color()" stroke="black"
2030         />
2031         <ellipse
2032                 cx="eval(vas_x3() + vas_mem_width() / 2)"
2033                 cy="eval(vas_vmem_top_margin() + vas_pmem_height()
2034                         + vas_disk_gap() + vas_disk_height())"
2035                 rx="eval(vas_mem_width() / 2)"
2036                 ry="eval(vas_mem_width() / 4)"
2037                 fill="vas_disk_color()" stroke="black"
2038         />
2039 »)
2040
2041 <svg
2042         width="vas_width()" height="vas_height()"
2043         viewBox="0 0 100 eval(100 * vas_height() / vas_width())"
2044         xmlns="http://www.w3.org/2000/svg"
2045         xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"
2046 >
2047         <marker
2048                 id="arrow"
2049                 viewBox="0 0 10 10" refX="5" refY="5"
2050                 markerWidth="4" markerHeight="4"
2051                 orient="auto-start-reverse">
2052                 <path d="M 0 0 L 10 5 L 0 10 z" />
2053         </marker>
2054         vas_membox(«vas_vmem_color()», «vas_vmem_height()», «0»)
2055         vas_membox(«vas_pmem_color()», «vas_pmem_height()»,
2056                 «eval(vas_gap_width() + vas_mem_width())»)
2057         vas_vmem_hline(«10»)
2058         vas_vmem_hline(«40»)
2059         vas_vmem_unmapped_box(«40», «20»)
2060         vas_vmem_swapped_box(«60», «60»)
2061
2062         vas_pmem_unavail_box(«0», «10»)
2063         vas_pmem_hline(«20»)
2064         vas_pmem_unavail_box(«20», «30»)
2065         vas_pmem_hline(«80»)
2066
2067         vas_arrow(«5», «15»)
2068         vas_arrow(«25», «65»)
2069         vas_arrow(«130», «90»)
2070         vas_disk()
2071         vas_arrow(«90», «eval(vas_pmem_height() + vas_disk_gap()
2072                 + vas_disk_height() / 2)»)
2073 </svg>
2074 </div>
2075
2076 <p> Virtual memory is an abstraction of the available memory resources.
2077 When a process reads from or writes to a memory location, it refers
2078 to <em>virtual addresses</em> (illustrated as the left box of the
2079 diagram). Virtual addresses are mapped by the MMU to <em>physical
2080 addresses</em> which refer to physical memory locations (right
2081 box). The <em>mapped</em> virtual address space of a process is a
2082 collection of ranges of virtual addresses which correspond to physical
2083 memory addresses (blue areas). By storing less frequently-accessed
2084 chunks of virtual memory (yellow) on the swap area (grey), applications
2085 can use more memory than is physically available. In this case the
2086 size of the valid virtual addresses (blue and yellow areas together)
2087 exceeds the amount of physical memory (orange and green areas). Any
2088 attempt to access an unmapped memory location (red and yellow areas)
2089 results in a <em>page fault</em>, a hardware trap which forces the CPU
2090 back into kernel mode. The kernel then checks whether the address is
2091 valid (yellow) or invalid (red). If it is invalid, the kernel sends
2092 <code>SIGSEGV</code>, which usually terminates the process with
2093 the <code>segmentation fault</code> error. Otherwise it allocates
2094 a chunk of unused physical memory, copies the chunk from the swap
2095 area to the newly allocated memory and adjusts the mapping (i.e.,
2096 a yellow part becomes blue). The virtual memory concept increases
2097 stability and security because no process can access physical memory
2098 which belongs to the kernel or to other processes (orange areas). </p>
2099
2100 <p> We've already seen that the <code> fork(2) </code> system call
2101 creates a new process as a duplicate of the calling process. Since
2102 the virtual address space of the calling process (a) might be large
2103 and (b) is likely to be replaced in the child by a subsequent call
2104 to an exec function, it would be both wasteful and pointless to
2105 copy the full address space of the parent process to the child. To
2106 implement <code> fork(2) </code> efficiently, operating systems
2107 employ an optimization strategy known as <em> Copy on Write </em>
2108 (CoW). The idea of CoW is that if multiple callers ask for resources
2109 which are initially indistinguishable, you can give them pointers to
2110 the same resource. This function can be maintained until a caller
2111 tries to modify its copy of the resource, at which point a true
2112 private copy is created to prevent the changes becoming visible to
2113 everyone else. The primary advantage is that if a caller never makes
2114 any modifications, no private copy needs ever be created. The <code>
2115 fork(2) </code> system call marks the pages of the virtual address
2116 space of both the parent and the child process as CoW by setting a
2117 special bit in the <em> page table entry </em> which describes the
2118 mapping between virtual and physical addresses of the MMU. As for
2119 invalid memory accesses, the attempt to write to a CoW page results
2120 in a page fault that puts the CPU back into kernel mode. The kernel
2121 then allocates a new memory page on behalf of the process, copies
2122 the contents of the page which caused the fault, changes the page
2123 table mappings for the process accordingly and returns to user space.
2124 This all happens transparently to the process. </p>
2125
2126 <div>
2127 define(«asl_width», «300»)
2128 define(«asl_height», «400»)
2129 define(«asl_top_margin», «10»)
2130 define(«asl_text_width», «35»)
2131 define(«asl_mem_width», «25»)
2132 define(«asl_mem_color_env», «#fc8»)
2133 define(«asl_mem_color_stack», «#8fc»)
2134 define(«asl_mem_color_empty», «#ccc»)
2135 define(«asl_mem_color_heap», «#c8f»)
2136 define(«asl_mem_color_bss», «#8cf»)
2137 define(«asl_mem_color_data», «#cf8»)
2138 define(«asl_mem_color_text», «#f8c»)
2139 define(«asl_font_size», «5»)
2140
2141 define(«asl_arrow», «
2142         <line
2143                 x1="0"
2144                 y1="$1"
2145                 x2="eval(asl_text_width() - 2)"
2146                 y2="$1"
2147                 stroke-width="1"
2148                 stroke="black"
2149                 marker-end="url(#arrow)"
2150         />
2151 »)
2152 define(«asl_arrow_text», «
2153         <text
2154                 x="0"
2155                 y="$1"
2156                 font-size="asl_font_size()"
2157         >
2158                 $2
2159         </text>
2160 »)
2161
2162 dnl $1: y0, $2; height, $3: color, $4: high arrow text
2163 dnl $5: low arrow text, $6: desc
2164
2165 define(«asl_box», «
2166         <rect
2167                 stroke="black"
2168                 stroke-width="1"
2169                 x="asl_text_width()"
2170                 y="eval($1 + asl_top_margin())"
2171                 height="$2"
2172                 fill="$3"
2173                 width="asl_mem_width()"
2174         />
2175         ifelse(«$4», «», «», «
2176                 asl_arrow(«eval($1 + asl_top_margin())»)
2177                 asl_arrow_text(«eval($1 + asl_top_margin() - 2)», «$4»)
2178         »)
2179         ifelse(«$5», «», «», «
2180                 asl_arrow(«eval($1 + $2 + asl_top_margin())»)
2181                 asl_arrow_text(«eval(asl_top_margin()
2182                         + $1 + $2 - 2)», «$5»)
2183         »)
2184         <text
2185                 x="eval(asl_text_width() + asl_mem_width() + 2)"
2186                 y="eval($1 + $2 / 2 + asl_top_margin())"
2187                 dy="0.3em"
2188                 font-size="asl_font_size()"
2189         >
2190                 $6
2191         </text>
2192 »)
2193
2194 <svg
2195         width="asl_width()" height="asl_height()"
2196         viewBox="0 0 100 eval(100 * asl_height() / asl_width())"
2197         xmlns="http://www.w3.org/2000/svg"
2198         xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"
2199 >
2200         asl_box(«0», «10», «asl_mem_color_env», «2^64 - 1», «»,
2201                  «Environment»)
2202         asl_box(«10», «15», «asl_mem_color_stack», «», «base pointer»,
2203                  «Stack»)
2204         asl_box(«25», «30», «asl_mem_color_empty», «», «break point»,
2205                  «Empty»)
2206         asl_box(«55», «35», «asl_mem_color_heap», «», «», «Heap»)
2207         asl_box(«90», «10», «asl_mem_color_bss», «», «», «BSS»)
2208         asl_box(«100», «10», «asl_mem_color_data», «», «», «Data»)
2209         asl_box(«110», «10», «asl_mem_color_text», «», «0», «Text»)
2210 </svg>
2211 </div>
2212
2213 <p> The diagram on the left illustrates the layout of the virtual
2214 address space of a process. At the top of the address space are the
2215 argument vector and the environment variables. The <em>stack</em>
2216 stores the local variables of the functions which are currently
2217 being called, plus house-keeping data like the return addresses
2218 of these functions. As more functions are called, the stack grows
2219 downwards towards the lower addresses. Its current lower end is
2220 called the <em> base pointer</em>. The other variable area of the
2221 address space is the <em>heap</em>, which contains the memory that
2222 has been allocated on behalf of the process, for example with <code>
2223 malloc(3)</code>. As the process allocates more memory, the heap grows
2224 upwards, towards the stack. The current end of the heap is called the
2225 <em> break point</em>. The lower part of the address space contains
2226 three segments of fixed size. The <em>text</em> segment contains the
2227 compiled machine instructions of the executable, the <em>data</em>
2228 segment contains the initialized variables which are already known
2229 at compile time. Finally, the <em>BSS</em> segment is allocated and
2230 zeroed at execution time. This segment contains variables which should
2231 initialized to zero at startup. Unlike the data segment it is not
2232 stored in the executable. BSS stands for "Block Started by Symbol",
2233 which is a historic name coined in the 1950s. It has no relation to
2234 the real meaning of the segment. </p>
2235
2236 The exercises of this section invite the reader to look at the virtual
2237 address space of running processes to learn what happens when a
2238 dynamically-linked executable is being executed and how the resulting
2239 memory maps affect the virtual address space of the newly created
2240 process.
2241
2242 EXERCISES()
2243
2244 <ul>
2245         <li> Examine your own processes with <code>htop</code>, <code>ps
2246         ux</code> and <code>pstree -panuch $LOGNAME</code>. </li>
2247
2248         <li> Run <code>ls -l /proc/$$</code> and examine the environment of
2249         your shell process. </li>
2250
2251         <li> Run <code>kill -l</code> and discuss the meaning of signals
2252         1-15. Use <code>signal(7)</code> as a reference. </li>
2253
2254         <li> Create a zombie process: run <code>sleep 100&</code>. From
2255         another terminal, send <code>SIGSTOP</code> to the parent process
2256         of the sleep process (the shell), then send <code>SIGKILL</code>
2257         to the sleep process. Run <code>cat /proc/$PID/status</code> where
2258         <code>$PID</code> is the process ID of the sleep process. </li>
2259
2260         <li> Run <code>echo $$</code> to obtain the PID of an interactive
2261         shell that is running in a terminal. Send the <code>SIGSTOP</code>
2262         and <code>SIGCONT</code> signals to this PID from another terminal
2263         and see what happens when you type in the terminal that contains the
2264         stopped shell process. </li>
2265
2266         <li> The <code>ping(8)</code> utility catches <code>SIGQUIT</code>.
2267         In one terminal execute <code>ping localhost</code>. While this
2268         command runs in an endless loop, send <code>SIGQUIT</code> to the
2269         ping process from another terminal and see what happens. </li>
2270
2271         <li> Read <code>kill(2)</code> to learn what <code>kill -9 -1</code>
2272         does. Run this command if you are brave. </li>
2273
2274         <li> Why doesn't the <a href="«#»cd_script">cd script</a> work as
2275         expected? </li>
2276
2277         <li> Explain the difference between the two commands <code>X=foo
2278         bar</code> and <code>X=foo; bar</code>. </li>
2279
2280         <li> Run <code>set</code> and examine the environment variables of
2281         an interactive shell session. </li>
2282
2283         <li> Check this <a
2284         href="https://public-inbox.org/git/Pine.LNX.4.64.0609141023130.4388@g5.osdl.org/">email</a>
2285         from Linus Torvalds about why stdio is not that simple at all. </li>
2286
2287         <li> Run the command <code>ls / /does-not-exist</code>, redirect
2288         stdout and stderr to different files. </li>
2289
2290         <li> Consider the following shell code which uses stdio to first write
2291         to stdout, then to stderr. <code>echo foo; echo bar 1>&2</code>. Which
2292         circumstances guarantee that the "foo" line appears before the "bar"
2293         line in the output? </li>
2294
2295         <li> In the pipeline <code> foo | bar</code>, what is the
2296         buffering type of the file descriptor which corresponds to
2297         the <code> stdin </code> stream of the <code> bar </code>
2298         process? </li>
2299
2300         <li> Assume <code>foo</code> is a log file which increases due to
2301         some process appending data to it. Explain why the command <code>
2302         tail -f foo | while read; do echo new data; done </code> does not
2303         work as expected. Fix the flaw by changing the buffering type with
2304         <code>stdbuf(1)</code>. </li>
2305
2306         <li> Run <code>sleep 100 > /dev/null &</code>, examine open
2307         files of the sleep process by looking at suitable files in
2308         <code>/proc</code>. Do the same with <code>sleep 100 | head
2309         &</code>. </li>
2310
2311         <li> Run <code>ldd /bin/sh</code> and explain what happens when a
2312         shell is executed. </li>
2313
2314         <li> On a Linux system, run <code>cat /proc/$$/maps</code> or
2315         <code>pmap -x $$</code> to see the address space layout of your
2316         shell. Check <code>Documentation/filesystems/proc.txt</code>
2317         in the linux kernel source tree for the format of
2318         <code>/proc/$$/maps</code>. </li>
2319
2320         <li> Run <code>cat /proc/$$/smaps</code> and examine the values of
2321         the heap section. </li>
2322
2323         <li> Assume some program allocates a lot of memory so that the size of
2324         the valid virtual addresses is 1T large. Assume further that a software
2325         bug causes the content of a pointer variable to be overwritten with
2326         random garbage. Determine the probability that this pointer variable
2327         contains a valid address (assuming a 64 bit system). </li>
2328 </ul>
2329
2330 HOMEWORK(«
2331
2332 Explain how <code>PR_SET_CHILD_SUBREAPER</code> works and possible
2333 use-cases for this (Linux) feature.
2334
2335 »)
2336
2337 HOMEWORK(«
2338
2339 Explain in one paragraph of text the purpose of the <em>file
2340 creation mask</em> (also known as <em>umask</em>) of a process.
2341
2342 »)
2343
2344 HOMEWORK(«
2345
2346 When we said that each process runs on behalf of a user and that the
2347 ID of this user is part of the process metadata, we were simplifying
2348 matters. There are actually three different UIDs and three different
2349 GIDs: the <em>real UID</em>, the <em>effective UID</em>, and the
2350 <em>saved set-user ID</em>, and analogous for the group IDs. Explain
2351 the purpose of the three UIDs.
2352
2353 »)
2354
2355
2356 HOMEWORK(«
2357
2358 On a multi-CPU system the performance of a program can be
2359 enhanced by allowing for multiple flows of control. This is the
2360 idea behind <em>threads</em>, which are also called <em>lightweight
2361 processes</em>. Give an overview of threads, summarize the POSIX thread
2362 API (see <code>pthreads(7)</code>) and explain how the Linux-specific
2363 <code>clone(2)</code> system call can used to implement threads.
2364
2365 »)
2366
2367 HOMEWORK(«
2368
2369 Explain what the command <code>find /etc > /dev/null</code> does,
2370 and why you get some error messages. Assume you'd like to extract
2371 only those error messages which contain the string "lvm". Explain
2372 why <code>find /etc > /dev/null | grep lvm</code> does not work as
2373 expected. Come up with a similiar command that works.
2374
2375 », «
2376
2377 The command traverses the <code>/etc</code> directory recursively and
2378 prints all files and directories it encounters during the traversal to
2379 stdout. Since stdout is redirected to the NULL device by the <code>>
2380 /dev/null</code> construct, only the stderr stream containing the error
2381 messages makes it to the terminal.  This includes all subdirectories
2382 of <code>/etc</code> which cannot be traversed due to insufficient
2383 permissions (no "r" bit set). The proposed <code>find | grep</code>
2384 command does not work since the <code>|</code> operator is evaluated
2385 <em>before</em> any redirections specified by the find command
2386 take place. More precisely, stdout of the find process is redirected
2387 <em>twice</em>: First to one end of the pipe due to the <code>|</code>,
2388 then to the NULL device due to the <code>> /dev/null</code>. The
2389 last redirection "wins", so the <code>grep</code> process does not
2390 see any input. The command <code>find /etc 2>&1 > /dev/null | grep
2391 lvm</code> works. The following four redirections take place: First
2392 stdout of the <code>find</code> process and stdin of <code>grep</code>
2393 process are redirected to the two ends of the pipe. Next, due to
2394 the <code>2>&1</code> the stderr stream of the <code>find</code>
2395 process is redirected to the current destination of stdout, i.e.,
2396 to the pipe. Finally the <code>> /dev/null</code> redirects stdout
2397 of the find process to the NULL device. Hence error messages go to
2398 the pipe and are processed by <code>grep</code> as desired.
2399
2400 »)
2401
2402 HOMEWORK(«
2403 Run <code>ulimit -n</code> to see the maximal number of file descriptors you
2404 are allowed to create. Explain what this limit means with respect
2405 to multiple processes, multiple logins, and the <code>fork(2</code>) system
2406 call. Write a program in your language of choice which creates file
2407 descriptors in a loop until it fails due to the file descriptor
2408 limit. Then print the number of file descriptors the program was able
2409 to create.
2410 », «
2411 On our systems the limit is set to 1024. This means a single process
2412 can only have this many files open at any given time. Independent
2413 processes (like those coming from different login sessions) have no
2414 common file descriptors, even though they may open the same files. In
2415 this sense the file descriptor limit is a per-process limit. However,
2416 when a process calls <code>«fork(</code>») to create a new process, the new
2417 process inherits all open file descriptors from the parent. This can
2418 lead to the situation where a newly created process is unable to open
2419 <em>any</em> files. This property was actually used to break computer
2420 security. The <code>«O_CLOEXEC»</code> flag was introduced not too long
2421 ago to deal with this problem. See <code>open(2</code>) for details.
2422
2423 C program that opens the maximal possible number of file descriptors:
2424
2425 <pre>
2426         int main(void)
2427         {
2428                 int i;
2429
2430                 for (i == 0; open("/dev/null", O_RDONLY) >= 0; i++)
2431                         ;
2432                 printf("opened %d file descriptors\n", i);
2433                 exit(0);
2434         }
2435 </pre>
2436 »)
2437
2438 HOMEWORK(«
2439
2440 Search the web for the document called
2441 <code>vm/overcommit-accounting</code>. Discuss the pros and cons of
2442 the three possible overcommit handling modes.
2443
2444 »)
2445
2446 HOMEWORK(«
2447
2448 Read this
2449 <a
2450 href="https://utcc.utoronto.ca/~cks/space/blog/unix/MemoryOvercommit">blog
2451 posting</a> on the virtual memory overcommit issue. Explain the
2452 catch-22 situation described there in no more than two sentences.
2453
2454 »)
2455
2456 HOMEWORK(«
2457
2458 Describe, in a single paragraph of text, what a virtual dynamic
2459 shared object (VDSO) is and which type of applications benefit most
2460 from it.
2461
2462 »)
2463
2464 HOMEWORK(«
2465
2466 Describe the concept of <em> huge pages </em> and the Linux-specific
2467 implementation of <em> transparent </em> huge pages. Discuss the pros
2468 and cons of huge tables and explain the workloads which would benefit
2469 from a setup with huge pages enabled.
2470
2471 »)
2472
2473 HOMEWORK(«
2474 <ul>
2475         <li> Explain the concept of <em>address space layout randomization</em>
2476         (ASLR). </li>
2477
2478         <li> Run <code>bash -c</code> '<code>cat /proc/$$/maps</code>'
2479         repeatedly to see address space layout randomization in action. Discuss
2480         the pros and cons of ASLR. </li>
2481 </ul>
2482 »)
2483
2484 SUPPLEMENTS()
2485
2486 SUBSECTION(«cd_script»)
2487
2488 <pre>
2489         #!/bin/sh
2490         echo "changing CWD to $1"
2491         cd "$1"
2492 </pre>
2493
2494 SUBSECTION(«hello_world»)
2495
2496 <pre>
2497         #!/bin/sh
2498         echo "hello world"
2499 </pre>
2500
2501 SUBSECTION(«symlink_madness»)
2502
2503 <pre>
2504         #!/bin/sh
2505         mkdir foo
2506         touch foo/a
2507         ln -s ../foo foo/testdir
2508         ls -l foo/a foo/testdir/a foo/testdir/testdir/a
2509 </pre>
2510
2511 SECTION(«Further Reading»)
2512 <ul>
2513         <li> <a
2514         href="http://www.catb.org/~esr/writings/taoup/html/ch02s01.html">Origins
2515         and History of Unix, 1969-1995</a> by Eric Steven Raymond. </li>
2516
2517         <li> <a
2518         href="https://www.newyorker.com/business/currency/the-gnu-manifesto-turns-thirty">
2519         The GNU Manifesto Turns Thirty</a>, by Maria Bustillos. </li>
2520
2521         <li> <a href="https://lwn.net/Articles/924577/">The SCO lawsuit,
2522         20 years later</a> </li>
2523
2524         <li> <a
2525         href="http://www.catb.org/~esr/writings/unix-koans/end-user.html">
2526         The Koan of Master Foo and the End User</a>. </li>
2527
2528         <li> <a href="https://lwn.net/Articles/411845/">Ghosts of Unix Past:
2529         a historical search for design patterns</a>, by Neil Brown. </li>
2530
2531         <li> W. Richard Stevens: Advanced Programming in the Unix
2532         Environment. Addison Wesley. </li>
2533
2534 </ul>