Unix/Linux Sistem Programlama

Bu kurs UNIX sistemlerinin üzerinde sistem programlama faaliyetlerini yürütecek kişilere yöneliktir. Konular genel olarak tüm UNIX sistemlerini içerecek biçimde ele alınıp açıklanmakta ve sistemler arasındaki farklılıklar ayrıca değerlendirilmektedir.
Temel Kavramlar
• Kurs için gereken temel kavramların gözden geçirilmesi
• UNIX türevi sistemlerin tarihsel gelişimi
• Özgür Yazılım ve Açık Kaynak Kod akımları
• UNIX türevi sistemlere yönelik standartlar
• Kaynak yöneticisi olarak işletim sistemleri
• Dağıtım (distribution) kavramı.
• Belli başlı Linux dağıtımları ve bu dağıtımlar arasındaki ilişkiler
• Proses kavramı
• Proseslerin kontrol blokları
• Çok prosesli (multiprocessing) çalışma ve zaman paylaşımlı (time sharing) CPU kullanımı
• Preemptive işletim sistemlerinin temel özellikleri
• Kavramsal olarak POSIX fonksiyonları, Standart C Fonksiyonları ve işletim sisteminin sistem fonksiyonları
• POSIX fonksiyonlarında başarısızlık durumunun tespit edilmesi ve eele alınması

UNIX Türevi Sistemlerde Login İşlemleri
• Sisteme giriş ve login işlemi
• Kullanıcı ve grup kavramları
• Kullanıcı ve grup isimleri
• Login sırasında yapılan kontroller
• Linux dizin yapısının incelenmesi (/bin dizini, /lib dizini, /usr dizini, /mnt dizini, …)

UNIX/Linux Sistemlerinde Temel Dosya İşlemleri
• Proseslerin kullanıcı ve grup id’leri
• Proseslerin ek grup id’leri (supplemantary group ids)
• Kullanıcı ve grup bilgilerinin elde edilmesi
• Yol ifadelerinin anlamı, mutlak ve göreli yol ifadeleri
• Prosesin çalışma dizininin (current working directory) anlamı, elde edilmesi ve değiştirilmesi
• UNIX/Linux sistemlerinde dosya işlemleri ve temel POSIX dosya fonksiyonları (open, read, write, lseek, close)
• Dosyaların ve dizinlerin erişim hakları ve anlamları
• Ayrıcalıklı (root) erişim hakkına sahip prosesler
• Dosya bilgilerinin elde edilmesi ve stat fonksiyonları
• Yardımcı dosya fonksiyonları (chmod, remove, chown, …)
• Dizinler üzerinde işlemler (dizinlerin yaratılması, yok edilmesi, dizinlerin erişim özellikleri, …)
• Dizin içerisindeki girişlerin elde edilmesi
• Dizin ağacının özyinelemeli olarak dolaşılması
Önbellek (cache) Kavramı ve Linux Çekirdeğinin Uyguladığı Önbellek Mekanizmaları
• Önbellek sistemleri
• Linux çekirdeğinde “buffer cache” ve page cache” sistemleri
• Kullanıcı modundaki (user mode) dosya işlemlerinde gerçekleştirilen ön bellek (tampon) sistemleri
• C Programlama Dilinin stdio kütüphanesi tarafından uygulanan önbellek mekanizması
• stdin, stdout ve stderr dosyalarının kullanıcı düzeyinde önbelleklenmesi
• Linux çekirdeğinin “page cache”, “dentry cache” ve “i-node cache” sistemleri

Dosya Yönlendirmeleri
• Dosya betimleyicilerinin (file descriptors) anlamı
• Linux çekirdeğinde dosya nesneleri ve dosyalara ilişkin veri yapıları
• Dosya yönlendirmesinin yapılması (dup ve dup2 fonksiyonlarının kullanımı)
• stdin, stdout ve stderr dosyalarının yönlendirilmesi

İşlemcilerin Koruma Mekanizmaları ve KullanıcıModu (User Mode) / Çekirdek Modu (KernelMode) Proses Kavramı
• Koruma mekanizmasının anlamı
• Bellek ve komut korumaları
• Proseslerin bellek izolasyonu hakkında temel bilgiler
• Çekirdeğin kendini kullanıcı modundaki (user mode) prosesler tarafından koruması
• Kullanıcı modu (user mode) ve çekirdek modu (kernel mode) kavramları
• Prosesin kullanıcı modundan çekirdek moduna geçmesi ve geri dönmesi (user mode/kernel mode transition)
İşlemcilerin Sayfalama (Paging) Mekanizmları ve Sanal Bellek (Virtual Memory) Kullanımı
• İşlemcilerin sayfalama mekanizması
• Intel ve ARM işlemcilerinde sayfalama mekanizması
• Sayfa tabloları (page tables)
• Çok prosesli çalışmalarda sayfa tablolarının organizasyonu
• Sayfalama için kullanılan içsel kesmeler
• Sanal bellek mekanizması
• Linux çekirdeğinin sanal bellek gerçekleştirimi hakkında temel bilgiler
• 32 bit ve 64 bit Linux proseslerinin sanal belleğe yüklenmesi
• Linux sistemlerinde proseslerin bellek alanlarının izole edilmesi
UNIX/Linux Sisteminde Proseslerin Yaratılması ve Proseslerle İlgili Temel İşlemler
• Üst (parent) ve alt proses (child) kavramları
• Proseslerin id değerleri
• fork fonksiyonunun kullanımı
• fork işleminin çekirdek tarafından gerçekleştirilmesi
• fork işleminde üst prosesten alt prosese aktarılan bilgiler
• exec işleminin anlamı
• exec fonksiyonları
• fork ve exec fonksiyonlarının birlikte kullanılması
• Prosesler üzerine işlemler yapan POSIX fonksiyonları
• Proseslerin exit kodları ve anlamı
• Alt proseslerin beklenmesi ve wait fonksiyonları
• init prosesi
• Hortlak (zombie) prosesler, hortlaklığın nedeni ve ortadan kaldırılması
• Öksüz (orphan) prosesler
• Proseslerin kod, data ve stack alanları

Proseslerin Çevre Değişkenleri (Environment Variables)

• Proseslerin çevre değişkenlerinin anlamı ve önemi
• Çevre değişkenlerinin değerlerinin elde edilmesi ve değiştirilmesi
• Prosesin çevre değişken listesinin elde edilmesi
• Çevre değişkenlerinin Linux çekirdeği tarafından organize edilme biçimleri
• Çevre değişkenlerinin alt proseslere aktarılması

Prosesler Arası Haberleşmeler

• Prosesler arası haberleşmenin anlamı ve önemi
• İsimli ve isimsiz boru haberleşmeleri (named/unnamed pipes)
• Boru haberleşmeleri yoluyla client/server tarzı uygulamalar
• Linux çekirdeğinin boru haberleşmesini sağlama biçimi
• Paylaşılan bellek alanları (shared memory) yoluyla prosesler arası haberleşme
• Paylaşılan bellek alanlarının System 5 ve modern POSIX fonksiyonlarıyla oluşturulması
• Paylaşılan bellek alanlarının Linux çekirdeği tarafından gerçekleştirimi
• Paylaşılan bellek alanlarında senkronizasyon sorunu
• Bellek tabanlı dosyalar (memory mapped files)
• Mesaj kuyrukları yöntemi
• Mesaj kuyruklarının System 5 ve modern POSIX fonksiyonlarıyla oluşturulması ve kullanılması
• Aynı makinenin prosesleri arasında haberleşmede kullanılan diğer yöntemler

Thread’lerle İşlemler

• Genel olarak thread kavramı
• Thread’lerin kullanılma gerekçeleri
• POSIX'in pthread kütüphanesinin tanıtımı
• Thread’lerin yaratılması ve ve sonlanması
• Thread’lerin özellikleri (thread attributes)
• Thread’lerin sonlanmasının beklenmesi
• Thread’lerin yok edilmesi (therad cancellation)
• Thread’lerin bloke olması
• Çok thread’li uygulamalar
• Thread’ler arası haberleşmeler
• Thread senkronizasyonun anlamı
• Mutex senkronizasyon nesnelerinin kullanımı
• Mutex özelliklerinin değiştirilmesi
• Semaphore senkronizasyon nesnelerinin kullanımı
• Farklı proseslerin thread’leri arasında senkronizasyon
• Okuma/yazma kilitleri
• Koşul Değişkenleri condition variables)
• Interlock işlemleri
• Kilitlenmeye yol açmayan veri yapıları (lock-free data sturctures) hakkında temel bilgiler
• Thread’e özgü alanlar (thread specific data)
• Fonksiyonların thread güvenliliği (thread safety)
• Linux çekirdeğinin thread gerçekleştirimi
• POSIX thread çizelgelemesi ve thread öncelikleri
• Linux sistemlerinde thread çizelgelemesinin ayrıntıları
• Thread havuzları (thread pools) ve thread havuzlarının gerçekleştirimleri

Sinyal (Signal) İşlemleri
• Sinyal kavramı
• POSIX sinyallerinin tanıtımı
• Sinyallerin oluşması ve proseslere gönderilmesi
• Sinyallerin ele alınması, signal ve sigaction fonksiyonlarının kullanımı
• Proseslere sinyal gönderilmesi ve kill fonksiyonun kullanımı
• Sinyallerin bloke edilmesi
• Sinyaller ve thread’ler
• Gerçek zamanlı sinyaller
• Sinyaller yoluyla proses senkronizasyonu
• Sinyaller tarafından kesilen sistem fonksiyonlarının yeniden başlatılması

Proseslere İlişkin Ayrıntılar

• Proses grupları
• Terminal Kavramı
• Oturum (session) kavramı
• İş (job) kavramı ve iş kontrol sinyalleri

Proseslerin Kaynak Kullanımı

• Proseslerin kullandığı kaynaklar
• Proseslerin kaynak limitlerinin elde edilmesi ve değiştirilmesi
• Proseslerin kaynak kullanımlarının sınırlandırılması
Daemon Prosesler (Linux Servis Programları)
• Daemon kavramı ve daemon proseslerin aşağı seviyeli incelenmesi
• Daemon’ların yazımı ve kullanımı
• Daemon’lara ilişkin ayrıntılı işlemler
Linux Sistemlerinde Proseslere İlişkin Yetenekler (Process Capabilities)
• Linux sistemlerinde proses yetenekleri (process capabilities) kavramı
• Proses yeteneklerinin listesi ve anlamı
• Proses yeteneklerinin set edilmesi ve üst prosesten alt prosese aktarılması

Linux Sistemlerinde Tarih ve Zaman İşlemleri
• Tarih ve zaman işlemleri yapan standart C fonksiyonları ve POSIX fonksiyonları
• Bölgesel ayarlar ve locale işlemleri
• Linux çekirdeğinde zamanlama işlemleri
• Sistem zamanının güncellenmesi

Linux Sistemlerinde Statik ve Dinamik (Shared) Kütüphaneler
• Kütüphane (library) kavramı
• Statik ve dinamik kütüphaneler arasındaki farklılıklar
• Statik kütüphanelerin yaratılması ve kullanılması
• Dinamik kütüphanelerin yaratılması ve kullanılması
• Dinamik kütüphanelerin yüklenmesi
• Konumdan bağımsız kod (position independent code) kavramı
• Dinamik kütüphanelerde versiyonlama
• Dinamik kütüphane kullanan uygulamaların konuşlandırılması
• Dinamik kütüphanelerin programın çalışma zamanı sırasında dinamik biçimdeyüklenmesi ve kullanılması
• Dinamik kütüphaneler konusunda kullanılan yardımcı programlar
İleri Dosya İşlemleri
• Proseslerin kök dizinleri
• Dosya özelliklerinin değiştirilmesi
• Dosyaların kilitlenmesi (file locks)
• Dosya sistemi üzerinde gerçekleşen olayların ele alınması
• Asenkron dosya işlemleri
• select ve poll fonksiyonlarının kullanımı
• Dosya delikleri (file holes)
• Dosya tamponlarının yönetilmesi
• Dosya sisteminin mount edilmesi
• Otomatik mount işlemleri
• Linux çekirdeğinin mount işlemlerini ele alma biçimi

UNIX/Linux Sistemlerinde Soket Programlama
• Bilgisayar ağları hakkında temel bilgiler
• Haberleşme protokollerine kısa bir bakış
• IP protokol ailesi
• OSI katmanları ve IP protokol ailesi katmanları
• Berkeley soket arayüzü ve soket kütüphanesinin kullanımı
• TCP/IP client/server programlama
• Client/server programlamadaki mesa formatları
• Çok client’lı uygulamalar ve çok client’lı uygulamalarda izlenecek stratejiler
• IP protokol ailesinin uygulama katmanına ilişkin bazı protokolleri hakkında açıklamalar (telnet, pop3, imap, http ...) ve bunlara ilişkin client programların yazımı
• UDP/IP uygulamaları
• UNIX domain soketlerinin kullanımı
• Ölçeklenebilir (scaleable) dağıtık uygulamaların gerçekleştirilmesine yönelik stratejiler
• Linux çekirdeğinin protokol mimarisi (Linux TCP/IP stack)
• Network sniffer programlar ve pcap kütüphanesinin kullanımı
Proc ve Sys Dosya Sistemleri
• Proc ve Sys dosya sistemlerinin tanıtımı
• Proc ve Sys dosya sistemlerinin girişlerinin anlamı
• Proc ve Sys dosya sistemlerinin okunması ve yazılması
• Proc ve Sys Dosya sistemlerinin Linux çekirdeği tarafından gerçekleştirimi

Object ve Executable Dosya Formatları
• Object dosya ve executable dosya kavramları
• ELF formatının incelenmesi
• ELF formatı üzerinde işlem yapan programlar
• GNU BFD kütüphanesinin temel kullanımı
• Object dosyaların link edilmesi
• Relocation işlemi
• Flat binary dosyaların oluşturulması

Linux Dosya Sisteminde Disk Organizasyonu
• Linux sistemlerinin kullandığı dosya sistemlerinin tanıtımı
• Linux'ta disk sektörlerinin okunması ve yazılması
• Loopback aygıtlar
• I-Node tabanlı dosya sistemlerinin disk organizasyonları
• Dosyaların i-node bilgileri
• Hard link ve soft link kavramları
• Ext-2, Ext-2 ve Ext-4 sistemlerinin disk organizasyonu ve bu dosya sistemlerinin aşağı seviyeli incelenmesi

Linux Sistemlerinde Boot Süreci
• Linux sistemlerinin boot edilmesi
• Boot sürecinin ayrıntıları
• Çekirdeğin boot parametreleri (kernel boot parameters)
• Çekirdek imaj dosyasının yüklenmesi
• Boot işlemi sırasında işlem gören çeşitli sistem dosyaları ve işlevleri
• Boot işleminden sonra yaratılan temel prosesler
Linux Çekirdek Kodlarının İncelenmesi
• Linux çekirdek kodlarının dizin organizasyonu
• Linux çekirdek kodlarının genel yazım biçimi
• Linux çekirdek kodlarında kullanılan temel veri yapıları
• Linux çekirdeğindeki dinamik tahsisat sistemleri (buddy allocator, slab allocator, …)
• Linux çekirdekleri arasındaki versiyon farklılıkları
Linux Çekirdeğinin Yeniden Derlenmesi
• Linux çekirdeğinin derlemesi
• Linux modüllerinin eklenip çıkartılması
• Linux kaynak kodlarında değişiklikler yapılması
Linux Aygıt Sürücüleri
• Aygıt sürücülerin anlamı
• Linux aygıt sürücü mimarisinin tanıtımı
• Linux çekirdek modüllerinin yazımı
• Çekirdek modüllerinin yüklenmesi ve boşaltılması
• Karakter aygıt sürücülerinin yazımı
• Aygıt sürücülerde senkronizasyon işlemleri
• Aygıt sürücülerde bekleme kuyruklarının yaratılması ve bloke işlemlerinin sağlanması
• Aygıt sürücülerde bellek tahsisatları
• Aygıt sürücülerin IO portlarını kullanması
• Aygıt sürücülerde kesme işlemlerinin yönetilmesi
• Blok aygıt sürücülerinin yazımı
• Blok aygıt sürücülerinde bellek haritalaması ve DMA kullanımı
• USB aygıt sürücüleri