Interfaz de Programación y Estándares del Sistema

Las llamadas al API del sistema actúan como intermediario entre el espacio de usuario y el kernel (que gestiona ficheros, procesos, red y controladores de hardware). La programación que utiliza esta API sigue varios estándares:

• ISO-C: Estándar definido por ANSI y posteriormente por ISO.
• POSIX (Portable Operating System Interface): Derivado de algunas versiones de UNIX, es un superconjunto de ANSI C al cual extiende. Ofrece soporte de bajo nivel al Sistema Operativo (SO), pero sin un lenguaje de programación específico.
• Berkeley UNIX (BSD): La mayoría de los sistemas soportan ISO y POSIX. BSD contribuye con funcionalidades clave como symbol-link, sockets y select.
• System V (SV): Superconjunto de POSIX. Su funcionalidad más importante es la comunicación entre procesos (IPC).
• GNU: Sistema Operativo tipo UNIX de software libre con licencia GNU GPL.

Diferencia entre Llamadas al Sistema y Llamadas a Librería

Aunque el programador no percibe una diferencia inmediata, una llamada a librería (sección 3) no interacciona directamente con el kernel. En cambio, las llamadas al sistema (sección 2) sí lo hacen mediante una interrupción (trap). Las llamadas a librería requieren la reserva de espacio para los parámetros.

Uso del Manual (man)

El comando man [seccion] [-k] función muestra las páginas del manual para una función dada. Las secciones 2 y 3 corresponden a las llamadas al kernel y a las librerías, respectivamente. El argumento -k se utiliza para buscar. Dentro del manual, use / para buscar palabras y q para salir.

• Llamadas al sistema (man 2): Se ejecutan en modo usuario/kernel. No se reserva espacio para parámetros. Devuelven -1 y establecen la variable errno en caso de error.
• Llamadas a librerías (man 3): Se ejecutan en modo usuario. Utilizan espacio dinámico/estático. Devuelven NULL y no siempre establecen errno.

Funciones de Diagnóstico e Información del Sistema

• perror(3): Informa del error de la última llamada al sistema que devolvió -1 por convenio al fallar.
• strace(1): Intercepta las llamadas al SO realizadas por un comando.
• uname(2): Proporciona información sobre el kernel.
• sysconf(3): Proporciona información y limitaciones del SO.
• pathconf(3) / fpathconf(3): Proporciona información y limitaciones de un path.

Gestión de Usuarios y Grupos

• getuid(2) / getgid(2) / geteuid(2) / getegid(2): Obtienen el usuario/grupo real y efectivo del proceso.
• setuid(2): Modifica el usuario efectivo.
• getpwnam(3) / getpwuid(3): Proporcionan información del usuario según su nombre o ID.
• id(1): Muestra información sobre los UID actuales.

Gestión de Tiempo y Fecha

• time(2) / gettimeofday(2) / settimeofday(2): Proporcionan información sobre la hora y fecha del sistema.
• ctime(3) / gmtime(3) / localtime(3): Proporcionan información formateada sobre la hora y fecha del sistema.
• strftime(3): Convierte la información de la hora al formato deseado.

Sistemas de Ficheros

Desde el punto de vista del usuario, los sistemas de ficheros son colecciones de ficheros y directorios utilizados para guardar y organizar información. Desde la perspectiva del SO, son un conjunto de tablas y estructuras que gestionan dicha información.

Tipos de Sistemas de Ficheros

• Sistemas de ficheros basados en disco: Implementados en disco duro (ejemplos: FAT, NTFS, ISO9660, UFS).
• Sistemas de ficheros basados en red: Permiten acceder a sistemas de ficheros remotos (ejemplo: NFS).
• Sistemas de ficheros basados en RAM: Residen en la memoria principal mientras el SO se ejecuta (ejemplos: proc, tmpfs).

Nota: Las llamadas al SO son independientes del sistema de ficheros subyacente.

Estructura del Sistema EXT2 y Journaling

El sistema ext2 (inspirado en FFS de BSD) se compone de grupos de bloques de datos, que se ubican cerca de sus i-nodos. Los i-nodos, a su vez, están cerca del directorio de i-nodos. Los primeros bloques de una partición EXT2 son:

1. Superbloque: Contiene información vital de la partición.
2. Descriptores de grupo.
3. Mapa de bloques.
4. Mapa de i-nodos.
5. Tabla de i-nodos.
6. Bloques de datos.

Journaling (Bitácora)

Cuando un sistema ext2 no se apaga correctamente, el SO debe comprobar la integridad (mediante fsck), una tarea costosa que recorre todos los i-nodos y que a veces resulta irreparable.

Los sistemas modernos utilizan un archivo de bitácora (journal) que evita la corrupción de datos. Los cambios se escriben primero en la bitácora, y en caso de apagado brusco, se puede consultar para recuperar el estado coherente. Los sistemas ext3 y ext4 ya incluyen esta técnica.

Variantes de Journaling

Dependiendo del uso, existen tres variantes:

• Writeback mode: Solo se almacenan los metadatos en la bitácora, y los bloques de datos se escriben inmediatamente. Previene la corrupción de la estructura del sistema de ficheros, pero puede haber pérdidas de datos si el fallo se produce entre la escritura de datos y la bitácora.
• Ordered mode: Primero se escriben los datos en disco, y luego se actualiza la bitácora. Esto garantiza la coherencia.
• Data mode: Se guardan en la bitácora tanto metadatos como datos. Ofrece la mayor protección, pero degrada el rendimiento.

Llamadas al Sistema para Ficheros y Directorios

• open(2): Abre archivos.
• umask(2): Establece la máscara de permisos para la apertura de archivos (permisos = mode & (~ umask)).
• stat(2): Proporciona información sobre archivos (desde el i-nodo). Contiene una serie de macros para el campo st_mode (ej.: S_ISLNK, S_ISREG, S_ISDIR) y para permisos (ej.: S_IRWXU).
• chmod(2): Modifica los permisos sobre un archivo.
• access(2): Comprueba los permisos sobre un archivo. Falla si no se tiene alguno de los permisos a comprobar.
• dup(2): Duplica un descriptor de fichero.
• write(2) / read(2) / lseek(2): Sirven para escribir, leer y recorrer un fichero.
• close(2): Cierra y libera un fichero abierto.
• fsync(2): Sincroniza explícitamente los cambios en un fichero abierto.

Enlaces y Referencias

• link(2): Crea un hard link (mismo i-nodo) de un archivo. Solo es válido dentro del mismo sistema de ficheros.
• symlink(2): Crea un enlace simbólico a un archivo.
• readlink(2): Lee el contenido de un enlace simbólico.
• unlink(2): Elimina el archivo del directorio, decrementando el contador de referencias y potencialmente borrándolo.

Bloqueo y Control

• fcntl(2): Realiza operaciones de control sobre un fichero abierto. Se utiliza para crear cerrojos (ver F_GETLK).
• flock(2): Aplica o elimina un cerrojo (de lectura o escritura) sobre un archivo.

Gestión de Directorios

• opendir(2) / readdir(2) / closedir(2): Para abrir, recorrer y cerrar un directorio.
• mkdir(2) / rmdir(2): Para crear o eliminar directorios.
• rename(2): Renombra o mueve un archivo.

Comandos de Utilidad

• ls(1): Para consulta general de archivos y directorios (opciones interesantes: -a, -l, -d, -h, -i, -R, -1, -F y --color).
• ln(1): Para la creación de enlaces simbólicos.

Para obtener los números major y minor (a partir de stat), se utilizan las macros MAJOR y MINOR (requiere #include <sys/sysmacros.h>) sobre el campo st_rdev.

Gestión de Procesos

Un programa es un conjunto de instrucciones en código máquina y datos, guardados en un ejecutable en disco. Un proceso es una instancia de un programa en ejecución.

El Planificador del Kernel

El planificador es un algoritmo del kernel que determina el orden de ejecución de los procesos, en función de prioridades estáticas y dinámicas. El SO es expropiativo con los procesos de usuario.

Políticas de Planificación

• SCHED_OTHER: Estándar. Utiliza una prioridad estática de 0. La prioridad dinámica se determina con el valor nice del proceso.
• SCHED_FIFO: Utiliza una prioridad estática > 0. Expropia a los procesos con prioridad 0.
• SCHED_RR: Similar a FIFO, pero implementa el algoritmo Round Robin (reparto equitativo de tiempo).

Nota: El planificador realmente maneja hilos (threads). En programas multihilo, las llamadas tienen su equivalente pthread.

Llamadas al Sistema para Procesos

Creación y Terminación

• fork(2): Duplica un proceso en una relación padre-hijo.
• exec(3): Ejecuta un programa en el proceso actual, siendo sustituido. El primer argumento es el programa y el último debe ser NULL.
• _exit(2) / exit(3): Terminan un proceso.
• wait(2): Espera la terminación de algún hijo y libera sus recursos asociados.

Prioridad y Planificación

• chrt(1): Permite cambiar un proceso a modo real-time.
• sched_getscheduler(2) / sched_setscheduler(2): Manipulan o leen el planificador de un proceso (0 para el actual).
• sched_setparam(2) / sched_getparam(2): Manipulan o leen la prioridad de un proceso (0 para el actual).
• sched_get_priority_max(2) / sched_get_priority_min(2): Obtienen los límites de la prioridad estática.
• getpriority(2) / setpriority(2) / nice(1) / renice(1): Consultan y fijan la prioridad de un proceso.

Identificación y Entorno

• getpid(2) / getppid(2) / setpgid(2) / getpgid(2): Consultan el pid o consultan/establecen un gid.
• setsid(1,2) / getsid(2): Obtienen o establecen una nueva ID de sesión.
• getcwd(3) / chdir(2): Obtienen el directorio de trabajo, y el segundo lo cambia.
• getenv(3) / setenv(3): Obtienen/modifican variables de entorno.

Recursos y Utilización

• getrlimit(2) / setrlimit(2): Obtienen o modifican los límites de los recursos del sistema.
• getrusage(2) / times(2): Obtienen el uso de tiempo del sistema por parte del padre e hijos.
• system(3): Ejecuta un comando en la shell del sistema, bloqueando el proceso hasta que retorne.
• ps(1): Proporciona información sobre los procesos (consultar man para STANDARD FORMAT SPECIFIERS).

Señales (Signals)

Las señales son interrupciones software asíncronas generadas por procesos. Los procesos que las reciben pueden bloquearlas, ignorarlas, o invocar una rutina de tratamiento por defecto o propia.

La lista completa de señales se encuentra en la sección Standard Signals de man 7 signal. Se recomienda usar variables volatile en las variables modificadas dentro de las rutinas de tratamiento de señales.

Funciones de Gestión de Señales

• kill(1,2) / raise(3) / abort(3): Envían una señal a un proceso, a sí mismo o abortan el proceso (abort).
• sigemptyset(3) / sigfillset(3) / sigaddset(3) / sigdelset(3) / sigismember(3): Tratan grupos de señales.
• sigprocmask(2): Bloquea/desbloquea señales en el proceso.
• sigpending(2): Comprueba las señales pendientes.
• sigaction(2): Modifica y consulta el manejador para una señal.
• sigsuspend(2): Espera una señal (y ejecuta el manejador de la misma).
• sleep(1,3): Espera un tiempo concreto.
• alarm(2): Lanzará SIGALRM después de una cantidad concreta de segundos.
• getitimer(2) / setitimer(2): Interactúan con otros temporizadores (SIGVTALRM, SIGPROF).

Comunicación Interprocesos (IPC)

Mecanismos de Sincronización y Compartición de Datos

Entre procesos/hilos del mismo sistema:

• Sincronización: Señales, ficheros con cerrojo, mutex, semáforos, mensajes IPC.
• Compartición de datos: Memoria compartida, tuberías con/sin nombre, cola de mensajes, basados en ficheros.

Entre procesos de distintos sistemas:

• Sincronización y Compartición: Sockets (paso y cola de mensajes).

Tuberías (Pipes)

Tuberías sin Nombre

Permiten la comunicación unidireccional entre dos procesos que tienen una relación de parentesco. Funcionan como ficheros (tienen descriptores, operaciones de E/S típicas, heredadas de padres a hijos). La sincronización la realiza el kernel, el acceso es de tipo FIFO y residen en memoria principal.

• pipe(2): Crea una tubería sin nombre.

Tuberías con Nombre (FIFOs)

Se utilizan entre cualquier proceso, ya que las tuberías sin nombre solo funcionan entre procesos con relación de parentesco. Son un tipo de archivo especial. Funcionan como las tuberías sin nombre, pero se abren con open y solo usan los bloques directos del i-nodo.

• mknod(1,2) / mkfifo(1,3): Crean tuberías con nombre.

Nota sobre FIFOs: Usar O_NONBLOCK para no bloquearse en el open. Leer de una tubería vacía sin escritor devuelve 0 en read. Escribir en una tubería sin lector devuelve SIGPIPE.

• select(2): Multiplexa canales de E/S de forma síncrona, esperando hasta un evento o timeout.

Sockets

La comunicación entre cliente y servidores se denomina socket (enchufe). Permite un intercambio bidireccional. Cada aplicación (proceso) está identificada por un número de puerto. La API se basa en BSD Sockets API.

Tipos de Socket

• SOCK_STREAM: Orientado a conexión (TCP). Es fiable, garantiza la eliminación de mensajes duplicados y representa un flujo de bytes (full-duplex). Es similar a una tubería, pero se envía SIG_PIPE cuando el otro extremo pierde la conexión. Utiliza: connect(2), recv(2), send(2), read(2), write(2).
• SOCK_DGRAM: Basado en datagramas sin conexión (UDP). No es fiable y no garantiza la entrega ordenada (full-duplex). El envío y la recepción son de longitud fija. Utiliza: send(2), recv(2), sendto(2), recvfrom(2).
• SOCK_RAW: Permite acceder a interfaces internos de los protocolos de red no expuestos por la API.

Dominio y Protocolo

Los dominios son familias de protocolos que comparten una forma de direccionamiento (ejemplos: AF_UNIX, AF_INET, AF_INET6). El protocolo suele estar determinado por el tipo de socket.

Dual Stack

El concepto Dual Stack permite que el mismo socket gestione los dos tipos de IP (IPv4 e IPv6). Se configura como in6addr_any y se desactiva la opción de socket IPV6_V6ONLY.

Funciones de Sockets

• inet_ntop(3) / inet_pton(3): Traducen direcciones entre formato texto y formato struct.
• bind(2): Asocia un socket a una dirección IP y puerto específicos.
• listen(2): Abre la escucha de un socket a una cantidad determinada de clientes.
• accept(2): Espera para aceptar una petición de conexión de cliente.
• connect(2): Crea un nuevo descriptor de fichero para la gestión de la nueva conexión aceptada (en el lado del cliente).
• send(2) / sendto(2): Sirven para enviar datos por un socket.
• recv(2) / recvfrom(2): Sirven para recibir datos por un socket.
• getaddrinfo(3) / getnameinfo(3): Traducen direcciones y hostname desde/hacia la estructura sockaddr correspondiente.