Программа лекций и презентации по курсу "ОС UNIX"

Часть 1: Основы

• Лекция 1: Введение, история и разновидности (презентация)
  1. История развития UNIX
  2. Сильные и слабые стороны UNIX
  3. Разновидности UNIX и дистрибутивы GNU/Linux
• Лекция 2: процессы и файловая система (презентация)
  1. Процессы, зомби, демоны, группы процессов, сигналы, идентификатор процесса pid\_t.
  2. Управление процессами, функции fork(), exec*(), wait(); команды ps, kill, killall.
  3. Структура файловой системы, типы файловых систем, монтирование файловых систем, команда chroot.
  4. Типы файлов, права доступа, umask; файловый дескриптор, функции open(), read(), write() и close().
  5. Команды работы с файлами: cp, rm, mv, rmdir, find, stat.
• Лекция 3: пакетная система и ядро Linux (презентация)
  1. Понятие пакета, пакетные менеджеры, типы зависимостей между пакетами.
  2. Обработка зависимостей между пакетами и её вычислительная сложность.
  3. Понятие ядра операционной системы и порядок загрузки GNU/Linux.
  4. Системные вызовы и способы взаимодействия процессов с ядром системы.
  5. Модули ядра и драйверы устройств.
• Лекция 4: оболочка и скриптовые инструменты (презентация)
  1. Введение в bash.
  2. Операции выполнение команд, перенаправления стандартных потоков ввода/вывода.
  3. Условия и циклы, строковые операции.
  4. Обработка сигналов в bash, функции и файловые блокировки.
  5. Популярные утилиты, обзор sed и awk.
• Лекция 5: управление сетью и инструменты обеспечения безопасности (презентация)
  1. Сетевые интерфейсы, таблица маршрутизации и беспроводные подключения.
  2. Инструменты отладки nmap, ping и traceroute.
  3. Установление сетевого подключения.
  4. Утилиты подсчёта хэш-сумм.
  5. Утилиты gpg и cryptsetup.
• Лекция 6: оформление проектов и инструменты сборки (презентация)
  1. Динамические библиотеки, gcc, использование команды strace.
  2. Утилиты make, cmake, scons.
  3. Работа с autoconf и automake.
  4. Сборка rpm-пакета и deb-пакета.
• Лекция 7: схема серверного приложения (презентация)
  1. Порядок обработки клиентских соединений.
  2. Общая схема серверного приложения.
  3. Безопасное совмещение обработки соединений с обработкой сигналов.
  4. Системный вызов pselect()
  5. Библиотека pthread.
• Лекция 8: инструменты межпроцессного взаимодействия (презентация)
  1. Мьютексы и условные переменные pthread.
  2. Понятие монитора и его реализация.
  3. Семафоры и разделяемая память.
  4. Трубы, очереди сообщений и файловые блокировки.
• Лекция 9: оконная система, виртуализация и кроссплатформенность (презентация) (запись)
  1. X Window system, Wayland и D-Bus.
  2. Оконные менеджеры, GTK+ и QT.
  3. Назначение инструментов виртуализации и её типы.
  4. проекты wine, cygwin и mingw.

Часть 2: Разработка ПО в UNIX

• Лекция 10: SSL и конфигурирование серверных служб на примере Apache HTTP Server
• Лекция 11: введение в контейнерную виртуализацию на примере Docker
• Пространства имён Linux и CGroups.
• Понятия Docker (образы, контейнеры, тома и пр.)
• Создание контейнера и Docker Hub.
• Понятие оркестрации.
• Лекция 12: асинхронная разработка
• Промисы и промисифайзеры.
• Ключевые слова async и await.
• Библиотека asyncio для Python.
• Лекция 13: создание разделяемых библиотек и введение в Rust
• Создание простейшей разделяемой библиотеки.
• Получение информации о библиотеках при помощи стандартных утилит.
• Введение в Rust.
• Подключение в Rust сторонней библиотеки.
• Лекция 14: Java и UNIX
• Библиотека JNA.
• JNI и совмещение Java с системнозависимыми функциями.
• Лекция 15: нейронные сети и использование TensorFlow в Linux
• Лекция 16: издательская система TeX

Задания для лабораторных работ

Лабораторная работа 1

Требуется написать скрипт, совместимый с POSIX Shell, который производит сборку некоторого исходного файла. Таким файлом может быть как программа на языке C/C++, так и страница TeX. Скрипт должен:

1. Возвращать информативный код ошибки (скажем, если исходный файл вообще невозможно откомпилировать).
2. Анализировать текст и находить заготовленный комментарий с именем конечного файла. Комментарий должен быть некоторым ключевым словом, наиболее логично использовать, скажем, "Output:".
3. Сборка должна производиться в временном каталоге, который должен быть создан при помощи утилиты mktemp.
4. Каталог должен быть удалён при любом исходе работы скрипта, включая обработку сигналов, которые требует немедленного прекращения работы.
5. Рядом с исходным файлом после завершения работы должен появиться конечный файл с именем, как в распознанном комментарии. Все попутные файлы компиляции должны быть удалены вместе со временным каталогом (что очевидно, потому что они не должны покидать пределы временного каталога).

Лабораторная работа 2

Требуется безопасно и эффективно реализовать монитор с двумя потоками: потоком-поставщиком и потоком-потребителем. Поток-поставщик должен с задержкой в одну секунду инициировать условное событие, о чём должен выводить сообщение на экран. Поток-потребитель должен это условное событие получать, о чём также должен сообщать на экране. В итоге на экране должна появляться серия чередующихся сообщений об отправлении события и его обработке. Сообщения не должны нарушать очерёдность. Ожидание события должно происходить с минимальным потреблением процессорного времени, т. е. быть практически равным нулю. Подразумевается, что условное событие может содержать несериализуемые данные (скажем, передаётся экземпляр класса по указателю).

Лабораторная работа 3

Требуется подготовить безопасную реализацию серверного процесса, который совмещает обработку соединений TCP/IP с обработкой сигналов (можно выбрать, скажем, сигнал SIGHUP). Приложение должно:

1. Принимать соединения на некоторый порт, сообщать о новых соединениях на терминал, одно соединение оставлять принятым, остальные закрывать сразу после подключения.
2. При появлении любых данных в соединении выводить сообщение на терминал (для простоты достаточно вывести только количество полученных данных).
3. При получении сигнала выводить сообщение на терминал. Фактически, работа сводится к правильному вызову функции pselect(), но все действия должны быть выполнены в предельно безопасном виде, исключающем любые race condition.

Лабораторная работа 4

Требуется подготовить программу на C/C++ в традициях "Hello, world!", которая должна собираться комплектом automake/autoconf. Другими словами, в ходе работы нужно, чтобы были правильно составлены файлы hello.c, configure.in, automake.am позволяющие получить дистрибутив программы. Полученный дистрибутив должен собираться командой:

./configure && make
        

Лабораторная работа 5

Требуется подготовить контейнер Docker, содержащий любой HTTP-сервер, который при запуске открывает порт 80 и умеет отсылать index.html, содержащий текст "Куда мы без UNIX?".

Инструкция по сборке лабораторных при помощи Docker в Microsoft Windows

Лабораторные работы можно выполнять в Microsoft Windows при помощи Docker. Его дистрибутив можно найти по этой ссылке.

В качестве примера здесь можно найти программу для языка C с приложенным Dockerfile. Чтобы скомпилировать и запустить программу, нужно в папке с проектом выполнить две команды:

1. docker build -t unix-lab .
2. docker run unix-lab

В университетском Moodle доступен видеоролик, как это выполняется.

С помощью докера можно запускать bash-скрипты следующей командой:

docker run -it --rm -v //d/path/to/script.sh:/script.sh bash:4.4 bash /script.sh
        

Где //d/path/to/script.sh - путь к баш-скрипту где-то на диске D. К сожалению, не нашёл официального контейнера для чистого shell, но bash ведь тоже подойдёт?