操作系统的层次

系统有各自的内核，出于系统稳定性考虑是不允许用户程序直接操作内核，同时也将内核开发和应用软件开发隔离开来，系统将必要的函数封装成库供应用软件调用，约定的规范即为应用软件接口(Application Program Interface，API)。

操作系统（二）系统函数库 - 图1

API函数库是连接用户软件和系统内核桥梁，或者是“协议”，操作系统厂商写好函数库说明书，应用软件开发者不必关心其内部是如何实现的，用的时候对照着API手册查询就够了；应用软件也可以越过系统函数库通过system call（系统调用）直接调用os内核函数，如图中红色虚线所示，当然这种方式并不被推荐。

如果各系统平台都能提供相同的系统函数库，那么开发者在这个系统函数库基础之上编写软件代码，那么就很容易将软件移植到各个系统平台，换个平台重新编译即可。

IEEE就是为了达成这样的愿望才牵头制定POSIX标准。POSIX标准主要就是针对UNIX API而制订，不管函数如何包装、功能如何实现，但API按照标准约定来（比如函数变量等符号名称、数据结构、参数类型与个数、基本工具命令名称等）。

Linux完全兼容POSIX标准（部分函数符合POSIX，部分函数是Linux专有，即是POSIX的超集），微软声称Windows部分兼容POSIX标准。

主流os内核通常是C语言写成，系统函数库通常以一个或多个链接库文件的形式提供，其中最重要的是C标准库，其他的链接库往往调用C标准库而实现，当然也可能直接调用系统内核函数，甚至混合。不同系统平台有多种主流的C标准库共存：

Cygwin的组成

操作系统（二）系统函数库 - 图2

Cygwin就是在Windows中增加了一个中间层——兼容POSIX的模拟层，并在此基础上构建了大量Linux-like的软件工具，POSXI兼容环境包括以下两部分：

  • cygwin1.dll，作为实现POSIX系统调用的模拟层，可原生运行在Windows中；
  • 在cygwin1.dll之上构建的大量函数库、应用程序，如libc、zlib、bash、gcc、vim、awk、sed、git等等，与UNIX/Linux几乎等同。

Cygwin的libc是Newlib，Linux的libc是GNU libc，UNIX有的是BSD libc。

Cygwin API首先尽可能地遵从Single Unix Specification V3（2004版），这个标准内容同时也是POSIX.1和IEEE Std 1003.1的标准内容，由Open Group和IEEE共同制定，最新已更新到V4（2018版），其次再尽可能地遵从Linux最佳实践。Cygwin API中还有些是Cygwin独有的，在POSIX中并未涉及。

Cygwin将cygwin1.dll、函数库、应用程序等文件按照UNIX/Linux的目录树架构进行组织存放，如/bin、/usr、/lib、/etc、/var、/home等等都存在于Cygwin安装路径下，用户从终端登陆进Cygwin的shell后，就可以像在UNIX/Linux系统那样使用相同的命令、工具，随着开发工作推进，越来越多的GNU、UNIX、Linux软件都移植到了Cygwin中。不仅如此，甚至像X Server、Gnome/KDE桌面环境等都移植到了Cygwin中，UNIX/Linux系统中的图形界面软件也能使用。

Cygwin的优点

  • 首先自然是近乎一致的UNIX/Linux体验；
  • 完备且相对轻量，普通用户不必安装整个Linux系统或虚拟机，就可以获得近乎一致的体验，Cygwin的程序运行与Windows互不干扰，高效的命令行工具与Windows图形界面各有所长、形成互补；
  • 开源免费，cygwin1.dll本身是按照GPLv3协议发布的，其他的应用程序有GPL、LGPL、X11等多种协议；
  • 安装卸载方便，Cygwin提供了包管理工具，可按需安装/卸载软件包，一个能运行起来的最小Cygwin系统只需要几十上百MB，而完全的Cygwin系统需要几十GB；
  • 源码级兼容性，GNU、UNIX、Linux软件的源代码几乎不用修改就可以在Cygwin环境中编译构建成功；
  • 与Windows互操作，Cygwin把Windows的磁盘挂载到/cygdrive下，如c盘就是/cygdrive/c、d盘就是/cygdrive/d，Cygwin中的应用程序可以读写Windows磁盘中的文件，Windows应用程序也可以读写Cygwin目录中的文件（但要注意不要把文件搞乱了）；Cygwin的shell中可以启动Windows程序，Windows的cmd中也可以启动Cygwin的程序，但由于字符编码不同可能造成乱码；
  • 多一套可用的API，对于Windows开发者，程序代码既可以调用Win32 API，又可以调用Cygwin API，甚至混合。

Cygwin的不足

  • 效率相对低，由于是在Win32系统之上模拟实现POSIX兼容层，应用程序在底层就多了一个层级的函数调用，效率比UNIX/Linux系统上原生的应用程序肯定低，不过这也是在效率和兼容性之间选择的一个平衡；
  • 未实现二进制文件级别的兼容，Cygwin系统上的应用程序编译后仍然是Windows PE格式的可执行文件，UNIX/Linux系统上的二进制可执行文件在Cygwin上不能运行。
  • 与Windows互操作不足，Windows原生程序并不能利用cygwin1.dll提供的与UNIX/Linux兼容的信号、pty设备等，除非改写程序代码重新编译，但这样新的程序就依赖于cygwin1.dll，就不是“Windows原生程序”了。

小结

从目的上来说，Cygwin 提供完整的类Unix 环境，Windows 用户不仅可以使用GNU 工具，理论上Linux 上的程序只要用Cygwin 重新编译，就可以在Windows 上运行。

Cygwin 上移植的程序的源代码，使用 POSIX api 编写，cygwin.dll 在 windows 上 实现了 posix api 兼容，所有移植过来的文件运行时都需要这个中间模块。