Grundzüge von Unix

Überblick

Unix ist ein sehr flexibles Multiuser-Betriebssystem aus den 1970er Jahren, das im technisch-naturwissenschaftlichen Bereich weit verbreitet ist. Mit der Verfügbarkeit von ``freien'' Versionen wie NetBSD und Linux hat Unix aber auch in vielen anderen Bereichen, vor allem im Bildungssektor, Einzug gehalten. Unix war und ist an sich ein Kommandozeilen-orientiertes Betriebsystem, doch wurde Mitte der 1980er Jahre das Graphiksystem X-Windows entwickelt, auf dem zahlreiche Anwendungen aufbauen und von dem es ebenfalls eine freie Implementation gibt.

``Multiuser''-System heißt, daß mehrere Benutzer zur selben Zeit auf dem System arbeiten können. Zusätzlich kann jeder Benutzer auch noch mehrere Prozesse gleichzeitig laufen lassen. Die scheinbare Gleichzeitigkeit kommt dadurch zustande, daß die insgesamt zur Verfügung stehende Rechenleistung in kleinste zeitliche Portionen unterteilt und der Reihe nach bzw. nach Prioritäten gewichtet den einzelnen Prozessen zugeordnet wird.

Um in einer Multiuser-Umgebung überhaupt Zugang zu den Betriebsmitteln des Systems zu bekommen, müssen die Benutzer über eine Zugangsberechtigung (Account) verfügen und sich gegenüber dem System durch einen Namen und ein Passwort identifizieren. Die Datenbereiche der einzelnen Benutzer sind zunächst streng getrennt, doch kann man Benutzer in verschiedene Gruppen zusammenfassen und mit Hilfe von Zugriffsrechten regeln, zu welchen Files die Mitglieder einer Gruppe Zugang haben sollen.

Unix ist ein minimalistisches Betriebssystem in dem Sinn, daß es Systemprogramme nur für eher eng definierte Aufgaben gibt. Zur Lösung komplexerer Aufgaben kann man aber oft eine Reihe von einfacheren Programmen kombinieren.

Schließlich gibt es auch kein Unix ``an sich'', sondern neben den freien Implementationen noch eine Reihe von kommerziellen Versionen der verschiedensten Hersteller. Alle diese Varianten sind einander zwar sehr ähnlich, können sich aber in Details der Organisation des Filesystems, dem Vorhandensein und der genauen Syntax einzelner Kommandos usw. unterscheiden.

Filesystem

Das Filesystem von Unix ist, wie das der meisten Betriebssysteme, baumartig-hierarchisch in Verzeichnissen organisiert. An der Spitze des Baumes steht das Root-Verzeichnis

/
und unmittelbar darunter eine Reihe von Systemverzeichnissen wie
/usr, /var, /dev, ..., /home
Im letzteren befinden sich meist die Stammverzeichnisse der Benutzer. So könnten einige Verzeichnisse der nächsten Ebene sein (Verzeichnisnamen werden durch Schrägstriche "/" getrennt)
/usr/lib, /usr/bin, ..., /home/beethoven
Hier wäre z.B. /home/beethoven das Stamm- (Home-)Verzeichnis des Benutzers beethoven. In /usr/lib befinden sich in der Regel die Systembibliotheken und in /usr/bin Systemkommandos.

Sowohl Verzeichnis- als auch Filenamen können aus alphanumerischen (Groß- und Kleinbuchstaben) und Sonderzeichen bestehen und mehr oder weniger beliebig lang sein. Für die Filenamen verwendet man gern die Form

name.extension
wobei die Extension Aufschluß über den Inhalt des Files gibt, z.B.
eroica.mp3
Das hat den Vorteil, daß man bei vielen Systemprogrammen, die eine Standard-Extension erwarten, diese oft gar nicht angeben muß bzw. sich die Programme je nach bearbeitetem Filetyp verschieden verhalten können. So erwarten etwa der F- und C-Compiler, daß Programme die Extension .F oder .c haben, und ein guter Editor wird verschieden Formatierungshilfen zur Verfügung stellen, je nachdem, ob man ein Computerprogramm oder ein TEX-Manuskript (Extension .tex) einliest.

Die vollständige Angabe eines Filenamens besteht aus dem Pfad (dem Weg im Verzeichnisbaum, auf dem man von der Wurzel aus das File erreicht) und dem eigentlichen Filenamen

/home/beethoven/mp3/symphonies/eroica.mp3
Für einige spezielle Pfade bzw. Verzeichnisse sind Abkürzungen definiert, nämlich
.
für das gerade eingestellte Verzeichnis
..
für das Oberverzeichnis eines Verzeichnisses und
~
für das Home-Verzeichnis eines Benutzers. So könnte der Benutzer beethoven das File im letzten Beispiel auch mit
~/mp3/symphonies/eroica.mp3
ansprechen.

Die Zugriffsrechte auf ein File oder Verzeichnis werden in einer File-Liste durch eine zehnstellige Buchstabenkombination der Form

-rwxrwxrwx
dargestellt. Dabei symbolisieren die Stellen 2-4 die Rechte des Benutzers u, die Stellen 5-7 die Rechte der Gruppe g, der der Benutzer angehört, und die letzten drei Stellen die Rechte derer, die nicht der Gruppe angehören (``others'' o). r und w stehen für Lese- und Schreibzugriff; x (execute) beim Filenamen eines Programms oder Scripts bedeutet, daß es ausgeführt werden darf. Besteht eines der Rechte nicht, steht statt des entsprechenden Buchstaben ein "-". Ein d an der ersten Stelle heißt, daß es sich um den Namen eines Verzeichnisses handelt.
-rw-r-----
ist also der Code eines Files, das nur der Benutzer (Eigentümer) lesen und schreiben und die Gruppe lesen darf.

Shell

Von sh bis bash

Als ``Shell'' bezeichnet man jenes Systemprogramm, mit dem der Benutzer kommuniziert. Die Shell nimmt die Befehle des Benutzers entgegen und führt sie, wenn es sich um eingebaute Befehle handelt, selbst aus oder gibt sie an andere Programme des Betriebssytems weiter. Wenn nicht gerade ein anderes Programm die Kontrolle übernommen hat, befindet man sich also während jeder Arbeitssitzung, vom ``Login'' bis zum ``Logout'', ständig in Kontakt mit der Shell. Die Shell ist, neben anderen Aufgaben, auch für die Interpretation der Wildcards ("*" und "?") zuständig sowie für die Übergabe von Umgebungsvariablen an System- und Benutzerprogramme.

Auf jedem Unix-Rechner gibt es die Bourne Shell sh, die aber eher für die Interpretation von Shell-Scripts als für das interaktive Arbeiten geeignet ist. Für letzteres stehen, je nachdem, um welche Variante von Unix es sich handelt, eine Reihe von etwas komfortableren Shells wie csh, ksh, bash, tcsh, usw. zur Auswahl. (Die Shell kann auch tatsächlich individuell gewählt werden.) Auf den derzeit populären Linux-Systemen ist bash die Standard-Shell. Alle Shells sind zwar in den Grundzügen ähnlich, aber in den Details doch so verschieden, daß es schwierig ist, sich in einer ungewohnten Shell zurecht zu finden.

Die tcsh

Wenn in diesem Skriptum Shell-spezifische Kommandos angegeben werden, beziehen sie sich in der Regel auf die tcsh. Die tcsh bietet u.a. folgende Annehmlichkeiten:

Umgebungsvariable und Startup-Files

Auf einem Unix-System sind typischerweise einige Dutzend Umgebungsvariable gesetzt. Manche sind sytemweit definiert, andere wieder benutzerspezifisch. Zu den wichtigsten Umgebungsvariablen gehören HOME, das Stammverzeichnis des Benutzers, PATH, der Suchpfad, auf dem nach ausführbaren Programmen gesucht wird, und DISPLAY, das Gerät, auf das graphische Ausgaben gesendet werden.

Umgebungsvariable setzt man in der tcsh mit dem Befehl

setenv  env_variable value
(set environment variable), den Wert einer Variable stellt man mit
printenv  [env_variable]
(print environment variable) fest. Ein
printenv
ohne Argument zeigt eine Liste aller definierten Umgebungsvariablen.

Umgebungsvariable und sonstige Vereinbarungen kann man zwar jederzeit interaktiv setzen, Definitionen, die man bei jeder Arbeitssitzung braucht, schreibt man aber besser in eines der Startup-Files, die bei jedem Login bzw. Starten einer Shell ausgeführt werden. In der tcsh sind das die Files im HOME-Verzeichnis des Benutzers

.cshrc oder, wenn vorhanden, .tcshrc
.login
(in dieser Reihenfolge).

Die allerwichtigsten Befehle

Erste Hilfe

Bei jedem Programm, das man benützt oder aufruft, ist es am wichtigsten zu wissen, wie man es wieder verläßt bzw. abbricht, wenn es außer Kontrolle geraten ist. Dies gilt natürlich auch für das Programm ``Shell'' selbst, also für die Arbeitssitzung überhaupt. Während das Einloggen meist darin besteht, daß man Accountnamen und Passwort in eine Eingabemaske oder auf eine Eingabeaufforderung eingibt, beendet man die Sitzung in der tcsh mit dem Befehl

logout
oder
exit
(In anderen Shells kann auch ^D die gewünschte Wirkung haben.)

Innerhalb der Shell bricht man ein Kommando oder Programm, das man im Vordergrund gestartet hat, mit

^C
ab. Prozesse, die im Hintergrund laufen, kann man mit
kill -9  process_id
beenden, wobei man die Prozeß-Nummer process_id z.B. mit dem ps-Kommando ermitteln kann.

Die Dokumentation der Befehle und Prozeduren des Betriebssystems sowie über zusätzlich installierte Software befindet sich (in etwas archaischer Form) auf den sogenannten man-Pages. Informationen über das Thema topic kann man mit

man  topic
erhalten. man-Pages werden häufig seitenweise über einen Pager (s. unten) dargestellt, sodaß man u.U. vor- und rückwärts blättern oder nach Zeichenketten suchen kann.

Speziell auf Linux-System findet man Dokumentation auch im hierarchisch organisierten info-Informationssystem. Der Einstieg erfolgt mit

info  topic

Kurzinformationen oder die Syntax eines Kommandos kann man oft auch mit

command -h
oder
command --help
ermitteln.

Die allgemeine Struktur der Befehle ist

command [options] [arguments]
wobei arguments die etwaigen Argumente sind und options zusätzlich Optionen, die das Verhalten des Befehls modifizieren oder genauer definieren. Diese Optionen bestehen meist aus einem Minuszeichen und einer einbuchstabigen Abkürzung (wie -h für ``Help''), können aber auch von der Form option parameter sein.

Manipulation von Files und Verzeichnissen

Aktuelles Verzeichnis anzeigen  

Um nicht immer vollständige Pfadnamen angeben zu müssen, kann man ein Verzeichnis zum aktuellen Arbeitsverzeichnis machen. Welches das aktuelle Verzeichnis ist, kann man mit dem Befehl

pwd
(print working directory) feststellen.

Verzeichnis wechseln  

Das Arbeitsverzeichnis wechselt man mit

cd  [directory]
(change directory). directory kann ein absoluter oder relativer Pfad (d.h. relativ zum derzeitigen Arbeitsverzeichnis) sein. Spezialfälle sind
cd ..
(wechselt in das Verzeichnis über dem derzeit aktuellen) und
cd ~
(wechselt in das Home-Verzeichnis). Ein
cd
ohne Argument hat dieselbe Wirkung wie cd ~.

Neues Verzeichnis anlegen  

Ein neues Verzeichnis legt man mit

mkdir  directory
(make directory) an. directory kann wieder eine absolute oder relative Pfadangabe sein. Der häufigste Fall ist wohl der, daß man ein Unterverzeichnis unter dem aktuellen Arbeitsverzeichnis anlegen will.

Verzeichnis löschen  

Ein (leeres) Verzeichnis löscht man mit Hilfe von

rmdir  directory
(remove directory). Um mit diesem Befehl ein Verzeichnis löschen zu können, darf es keine Files oder Unterverzeichnisse mehr enhalten. Verzeichnisse samt Inhalt löscht man mit Hilfe des Befehls rm (s. dort).

Inhalt eines Verzeichnisses anzeigen  

Die in einem Verzeichnis enthaltenen Files zeigt der Befehl

ls  [file]
(list) an. file ist ein File- oder Verzeichnisname und kann Wildcards enthalten. Ist es ein Verzeichnisname, so werden alle Files im Verzeichnis angezeigt. Ist file ein Filename, so wird das File, bzw. im Fall von Wildcards die Files angezeigt, auf die das Muster paßt. Ein
ls
ohne Argument zeigt den Inhalt des aktuellen Arbeitsverzeichnisses. Die wichtigesten Optionen sind -l (``lange'' Liste, ein Eintrag pro Zeile) und -a (zeigt auch die ``Hidden Files'', deren Namen mit einem . beginnen und die man normalerweise nicht sieht). Die Optionen können auch kombiniert werden, z.B. produziert
ls -al ..
eine lange Liste aller (auch der versteckten) Files im Verzeichnis über dem Arbeitsverzeichnis.

Files kopieren  

Der Befehl

cp  source destination
(copy) erstellt eine Kopie von source unter dem Namen destination. Ist destination ein Verzeichnis, so erhält die Kopie den Namen des Originals. In diesem Fall können auch mehrere sources angegeben und Wildcards verwendet werden
cp  source_1 source_2 ...  directory

Umbenennen von Verzeichnissen und Files  

Files und Verzeichnisse können mit dem Befehl

mv  source destination
(move) umbenannt bzw. im Verzeichnisbaum ``bewegt'' werden. Sind source und destination beides Files oder beides Verzeichnisse, dann erhält source den neuen Namen destination. Da sowohl alter als auch neuer Name Pfadangaben enthalten dürfen, können damit Objekte gleichzeitig von einer Stelle im Verzeichnisbaum an eine andere verlagert werden. Insbesondere werden beim move eines Verzeichnisses dessen Inhalt und eventuelle Unterverzeichnisse mitverlagert. In der Form
mv  source_1 source_2 ...  directory
(wobei source_1, source_2, usw. Wildcards enthalten können) ist es auch möglich, ganze Gruppen von Files auf einmal in das Verzeichnis directory zu verschieben.

Löschen von Files  

Ein oder mehrere Files löscht man mit dem Befehl

rm  file_1 file_2 ...
(remove), wobei die Filenamen wieder Wildcards enthalten dürfen. Insbesondere beim Löschen von Gruppen von Files empfiehlt sich die Option -i (inquire)
rm -i  file_1 file_2 ...
da dann für jedes zu löschende Objekt eine Bestätigung gegeben werden muß. Den gegenteiligen Effekt hat die Option -f (force). Ganze Verzeichnisse samt Inhalt kann man schließlich mit der Option -r (recursive) löschen, z.B. in der Form
rm -fr  directory_1 directory_2 ...

Inhalt eines Files ansehen  

Will man den Inhalt eines Files nur ansehen, ohne es zu verändern, so kann man dazu das Kommando

cat  file_1 file_2 ...
(concatenate) verwenden. Dieser Befehl reiht die Files file_1, file_2, usw. aneinander und gibt das Resultat am Bildschirm aus. Das hat allerdings bei längeren Files den Nachteil, daß der Inhalt sehr schnell über den Bildschirm läuft und man nur die letzten paar Zeilen sieht.

Daher gibt es unter jedem Betriebsystem sogenannte Pager. Das sind Programme, die es erlauben, Files seitenweise anzusehen. Der Standard-Pager unter Unix ist

more  file
Daneben gibt es aber meist auch noch etwas komfortablere Programme wie
less  file
oder
most  file
mit denen man sowohl vorwärts als auch rückwärts blättern (mit den Tasten u, d, ^u, ^d oder < Page-Up > , < Page-Down > ) oder nach Zeichenketten suchen kann (nach Eingabe von "/"). Der Pager wird mit q (quit) wieder verlassen.

Ein- und Ausgabeumlenkung, Pipes

Die meisten Systemprogramme sowie viele Anwendungen kommunizieren über die Standard-Ein/Ausgabekanäle von Unix

stdin
stdout
stderr
Der Standard-Eingabekanal stdin ist normalerweise mit der Tastatur verknüpft, der Standard-Ausgabekanal stdout und der Ausgabekanal für Fehlermeldungen stderr mit dem Bildschirm. Viele Programme verhalten sich wie Filter, d.h. sie lesen ihren Input von stdin, verarbeiten ihn und geben den Output auf stdout aus.

Die Standard-Ein/Ausgabekanäle können auf einfache Weise mit Hilfe der Klammersymbole "<", ">" und ">>" umgelenkt werden. So bedeutet

command <  file
daß der Input für den Befehl oder das Programm command nicht von der Tastatur sondern vom File file kommen soll. Umgekehrt wird mit
command >  file
der Output statt auf den Schirm auf ein File ausgegeben. Bei der Variante
command >>  file
wird ein eventuell existierendes File nicht überschrieben, sondern der Output von command wird an das Ende von file angefügt. Ein- und Ausgabe können auch gleichzeitig umgelenkt werden
command <  input_file >  output_file
wobei die Reihenfolge von Input/Ouput auch umgekehrt werden kann.

Manchmal möchte man auch erreichen, daß ein Befehl, der als Argument einen Filenamen verlangt, statt von einem File von der Tastatur liest. Dafür gibt es das Symbol "-"

command  -
Um beispielsweise Text in das File file zu schreiben, könnte man das Kommando cat aufrufen
cat >  file  -
den gewünschten Inhalt von file auf der Tastatur eintippen und die Eingabe mit ^d (der End-of-File Marke) abschließen.

Pipes sind ein Mechanismus, mit dessen Hilfe zwei oder mehrere ``Filterprogramme'' gleichzeitig gestartet werden können, wobei jeweils der Standard-Ausgabekanal eines Programms in den Standard-Eingabekanal des nächsten geleitet wird. Pipes werden durch den senkrechten Strich "|" symbolisiert

command_1  | command_2  | ...
Beispiel: Die Kombination
ls -l | grep "Mar 30"
erzeugt eine Liste aller Files im aktuellen Verzeichnis, die am 30. März zuletzt modifiziert wurden. (grep ist ein Befehl, der in einer Liste von Files oder der Standard-Eingabe-die in diesem Fall mit der Standard-Ausgabe des ls-Kommandos identifiziert wird-nach einer Zeichenkette sucht und alle Zeilen ausgibt, in der sie vorkommt).

Editieren und Compilieren von einfachen Programmen

Emacs

Um ein Computerprogramm bzw. allgemein ein Text-File neu zu schreiben oder ein bestehendes zu modifizieren, braucht man ein spezielles Textverarbeitungsprogramm, den sogenannten ``Editor''. Wie bei anderer Unix-Software auch, gibt es eine ganze Reihe von Alternativen, und welchen Editor man verwendet, hängt einerseits von der Anwendung ab, ist aber vielfach persönliche Geschmackssache.

Der Standard-Editor von Unix, vi, ist-wenigstens in der Grundversion-nicht übermäßig komfortabel. Ein alternativer Standard-Editor, der ebenfalls auf jeder Unix-Installation vorhanden sein sollte, ist emacs. Beim emacs handelt es sich eigentlich nicht um einen Editor im herkömmlichen Sinn, sondern um einen Lisp-Interpreter, also ein recht umfangreiches Softwarepaket, aus dem heraus man nicht nur Programme schreiben, compilieren und ausführen, sondern auch Mail lesen, surfen, auf Files anderer Maschinen im Netz zugreifen kann usw. Zusätzlich ist das Verhalten des emacs weitgehend anpaß- und programmierbar.

Selbst wenn man nicht die Absicht hat, diese Möglichkeiten auch nur ansatzweise auszuschöpfen, ist der emacs aber schon für das bloße Schreiben von Programmen sehr hilfreich. Abhängig von der Extension des bearbeiteten Files (also etwa .c für ein C-Programm) läuft er nämlich in einem speziellen Modus, in dem er den Benutzer bei der Formatierung des Programms und der Vermeidung von Fehlern unterstützt. So wird z.B. automatisch eingerückt, beim Eingeben einer schließenden Klammer die zugehörige öffnende angezeigt, Schlüsselwörter werden hervorgehoben usw.

Der Editor wird aufgerufen mit

emacs  [file]
Falls man unter einer graphischen Umgebung (X-Windows) arbeitet, wird ein eigenes Fenster geöffnet. Von der ursprünglichen Version von file wird eine Kopie unter dem Namen file~ angelegt, auf die man zurückgereifen kann, wenn beim Editieren etwas schiefgegangen ist.

Beim Eingeben oder Modifizieren des Programms kann man die üblichen Lösch-, Pfeil- und Navigationstasten benützen. Das Suchen und Ersetzen von Zeichenketten, Ausschneiden und Einsetzen von Blöcken, Abspeichern des Buffers usw. erfolgt mit verschiedenen Tastenkombinationen, deren wichtigste in der Emacs/Jed-Kurzanleitung zusammengefaßt sind. Eine Besonderheit ist die Wirkung der < Tab > -Taste: Es wird bei Drücken von < Tab > nicht nur die Zeile, in der der Cursor steht, relativ zur vorhergehenden ausgerichtet (also z.B. ein- oder ausgerückt), sondern u.U. auch eine Sprachkonstruktion ergänzt. Drückt man etwa in dem folgenden Fragment einer do-Schleife in F

loop: do i=1,imax
     ...
     end
nach der Eingabe von end auf < Tab > , so wird nicht nur das end nach links ausgerückt, sondern zu
end do loop
ergänzt.

Vom emacs gibt es zahlreiche Clones, u.a. den Editor jed mit der X-Version xjed. jed/xjed sind wesentliche weniger umfangreich und haben auch nicht die volle Funktionalität des emacs, können aber eine Reihe weiterer Editoren emulieren und sind auf praktisch alle Betriebssysteme portiert worden.

F- und C-Compiler

Hier wird zunächst nur der Fall besprochen, daß sich Haupt- und Unterprogramme (Prozeduren) in ein und demselben File befinden. Dann ist der Befehl zum Übersetzen eines F-Programms

F  [options] source_file
Einschließlich der wichtigsten Optionen lautet der Compiler-Aufruf meist
F -O -o  executable source_file
Dabei steht die Option -O für ``optimize'', während -o executable angibt, wie der Filename des ausführbaren (compilierten und gelinkten) Programms lauten soll. Gibt man die letztere Option nicht an, heißt des ausführbare Programm standardmäßig a.out. Soll also ein Programm mit dem Namen prog1.F übersetzt werden, kann man z.B. an
F -O -o prog1 prog1.F
und das Programm mit
prog1
starten. Treten während der Compilation Fehler auf, so wird der Programmtext samt den Fehlermeldungen in ein File mit dem Namen F.err geschrieben. Der Compiler erzeugt als Nebenprodukte ein Unterverzeichnis f_files, ein File f_moddir.tmp sowie Modul-Files mit der Extension .mod, die nach erfolgreicher Compilation alle gelöscht werden können.

Ein C-Programm compiliert man analog mit

cc  [options] source_file
bzw. wenn es sich um den GNU C-Compiler handelt (der aber meist auch durch cc aufgerufen werden kann),
gcc  [options] source_file
Mit den wichtigsten Optionen kann das lauten
gcc -On -o  executable -l library_1 -llibrary_2 ...  source_file
Für die Optimierung können hier verschiedene Stufen n=0, 1, ... angegeben werden.

Die Schwierigkeit gegenüber F besteht darin, daß bei C häufig auch jene Bibliotheken, in denen sich Standardprozeduren befinden, beim Linken explizit angegeben werden müssen. Das erfolgt mit der Option -l (library). Diese Bibliotheken stehen in der Regel in

/usr/lib
und haben Namen der Form
libname.a
Da die Namen aller Bibliotheken mit "lib" beginnen und mit ".a" oder ".so" enden, sind diese Teile redundant, und bei der Option -l muß nur name angegeben werden.

Benützt z.B. das Programm prog2.c trigonometrische Funktionen, die in der Mathematik-Bibliothek

/usr/lib/libm.a
stehen, so könnte es mit
gcc -O2 -o prog2 -lm prog2.c
übersetzt und gelinkt werden.



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On 29 Mar 2001, 18:14.