Linux系统编程

成功：0

失败：-1

struct stat {
dev_t st_dev; //文件的设备编号
ino_t st_ino; //节点
mode_t st_mode; //文件的类型和存取的权限
nlink_t st_nlink; //连到该文件的硬连接数目，刚建立的文件值为1
uid_t st_uid; //用户ID
gid_t st_gid; //组ID
dev_t st_rdev; //(设备类型)若此文件为设备文件，则为其设备编号
off_t st_size; //文件字节数(文件大小)
blksize_t st_blksize; //块大小(文件系统的I/O 缓冲区大小)
blkcnt_t st_blocks; //块数
time_t st_atime; //最后一次访问时间
time_t st_mtime; //最后一次修改时间
time_t st_ctime; //最后一次改变时间(指属性)
};

能够穿透（跟踪）符号链接

不穿透（跟踪）符号链接

测试指定文件是否拥有某种权限

int access(const char *pathname, int mode);

改变文件权限

int chmod( const char *filename, int pmode );

0-->改变成功

-1-->失败

改变文件的所有者

int chown(const char *path, uid_t owner, gid_t group);

0-->成功

-1-->失败

将参数path指定的文件大小改为参数length指定的大小，如果原来的文件大小比参数length大，则超过部分会被删去

int truncate(const char *path, off_t length);

0-->执行成功

-1-->执行失败

作用

原型

作用：创建一个软链接

作用：读软链接对应的文件名，不是读内容

作用

使用

程序（剧本，纸）

进程（戏）

同一个剧本可以在多个舞台上同时上演；
同样，同一个程序也可以加载为不同的进程（彼此之间互不影响）
如：同时打开两个终端。各自都有一个bash但彼此ID不同 

在操作系统中，一个时间段中有多个程序都处于已启动运行到运行完毕之间的状态，
但，任一个时刻点上仍只有一个进程在运行

分时复用CPU

单道程序设计

多道程序设计

进程id

进程状态

进程切换时需要保存和恢复的一些CPU寄存器

描述虚拟地址空间的信息

umask掩码

文件描述符，包含很多指向file结构体的指针

和信号相关的信息

会话（session）个进程组

进程可以使用的资源上限

指在操作系统中用来指定操作系统运行环境的一些参数

字符串(本质)

有统一格式：名=值[:值]

值用来描述进程环境信息

大多数name由大写字母加下划线组成

与命令行参数类似

与命令行参数类似

与命令行参数类似，位于用户区，高于stack起始位置

须声明环境变量

PATH

SHELL

TERM

LANG

HOME

getenv函数

setenv函数

unsetenv函数

用途

原型

返回值

注意

循环创建n个子进程

用途

原型

用途

原型

用途

原型

用途

原型

躲避父子进程共享全局变量的知识误区

父子进程共享：1. 文件描述符(打开文件的结构体) 2. mmap建立的映射区 (进程间通信详解)

特别的，fork之后父进程先执行还是子进程先执行不确定。取决于内核所使用的调度算法。

fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序（但有可能执行不同的代码分支），子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。
当进程调用一种exec函数时，该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换，从新程序的启动例程开始执行。
调用exec并不创建新进程，所以调用exec前后该进程的id并未改变。

将当前进程的.text、.data替换为所要加载的程序的.text、.data，然后让进程从新的.text第一条指令开始执行，但进程ID不变，换核不换壳

作用

原型

参数

用法

作用

原型

用法

作用

原型

参数

exec函数一旦调用成功即执行新的程序，不返回。只有失败返回-1；
所以通常我们直接再exec函数调用后直接调用perror和exit，无需if判断

函数字母含义

各函数之间的关系

父进程先于子进程结束，则子进程成为孤儿进程，
子进程的父进程成为init进程，成为init进程领养孤儿进程

进程终止，父进程尚未回收，子进程参与资源(PCB)存放于内核中，变成僵尸进程

特别注意，僵尸进程是不能用kill命令清除掉的。
因为kill命令只是用来终止进程的，而僵尸进程已经终止

一个进程在终止时会关闭所有文件描述符，释放在用户空间分配的内存，但它的PCB还保留着，内核在其中保存了一些信息：
如果是正常终止则保存着退出状态，如果是异常终止则保存着导致该进程终止的信号是哪个。

这个进程的父进程可以调用wait或waitpid获取这些信息，然后彻底清除掉这个进程。

父进程调用wait函数可以回收子进程终止信息。该函数有三个功能：

原型：pid_t wait(int *status); 成功：清理掉的子进程ID；失败：-1 (没有子进程)

可使用wait函数传出参数status来保存进程的退出状态。
借助宏函数来进一步判断进程终止的具体原因。
宏函数可分为如下三组：

作用同wait，但可指定pid进程清理，可以不阻塞

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, in options);
 成功：返回清理掉的子进程ID；失败：-1(无子进程)

特殊参数和返回情况

一次wait或者waitpid调用只能清理一个子进程，清理多个子进程应使用循环

1.fork子进程，让父进程终止

2.子进程调用setsid()创建新会话

3.通常根据需要，改变工作目录位置

4.通常根据需要，重设umask文件权限掩码

5.通常根据需要，关闭/重定向 文件描述符

6.守护进程 业务逻辑， while()

信号是信息的载体，Linux/UNIX 环境下，古老、经典的通信方式， 现下依然是主要的通信手段。
1. 简单 2. 不能携带大量信息 3. 满足某个特设条件才发送。

A给B发送信号，B收到信号之前执行自己的代码，收到信号后，不管执行到程序的什么位置，都要暂停运行，去处理信号，处理完毕再继续执行。
与硬件中断类似——异步模式。但信号是软件层面上实现的中断，早期常被称为“软中断”。

特质

每个进程收到的所有信号，都是由内核负责发送的，内核处理。

产生信号（5种方式）

递达

未决

信号处理方式

信号集

1.编号

2.名称

3.事件

4.默认处理动作

9) SIGKILL 和  19) SIGSTOP信号，
不允许屏蔽、忽略和捕捉，只能执行默认动作。

只有每个信号所对应的事件发生了，信号才应被发送
(但不一定递达)，不应乱发信号

Ctrl + c → 2) SIGINT（终止/中断） "INT" ----Interrupt

Ctrl + z → 20) SIGTSTP（暂停/停止） "T" ----Terminal 终端。

Ctrl + \ → 3) SIGQUIT（退出）

除0操作 → 8) SIGFPE (浮点数例外) "F" -----float 浮点数。

非法访问内存 → 11) SIGSEGV (段错误)

总线错误 → 7) SIGBUS

kill命令产生信号：kill -SIGKILL pid

kill函数：给指定进程发送指定信号(不一定杀死)

raise函数

abort函数

alarm函数

setitimer函数

sigset_t类型的本质是位图。
但不应该直接使用位操作，而应该使用上述函数，保证跨系统操作有效。

int sigemptyset(sigset_t *set); 将某个信号集清0 成功：0；失败：-1

int sigfillset(sigset_t *set); 将某个信号集置1 成功：0；失败：-1

int sigaddset(sigset_t *set, int signum); 将某个信号加入信号集 成功：0；失败：-1

int sigdelset(sigset_t *set, int signum); 将某个信号清出信号集 成功：0；失败：-1

sigprocmask函数

sigpending函数

注册一个信号捕捉函数

typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

由于再不同的操作系统及版本下有不同行为，尽量避免使用

修改信号处理动作
在Linux中用来注册一个信号的捕捉函数

原型

参数

struct sigaction结构体

捕捉函数执行期间，屏蔽字有指定

默认，捕捉函数执行期间，被捕捉信号自动屏蔽sa_flag=0

常规信号不支持排队，多次产生只记录一次

回调捕捉函数

调用结束先返回内核

一个函数在被调用执行期间(尚未调用结束)，由于某种时序又被重复调用，称之为“重入”。

显然，insert函数是不可重入函数，重入调用，会导致意外结果呈现。究其原因，是该函数内部实现使用了全局变量

1. 定义可重入函数，函数内不能含有全局变量及static变量，不能使用malloc、free

2. 信号捕捉函数应设计为可重入函数

3.信号处理程序可以调用的可重入函数可参阅man 7 signal

4. 没有包含在上述列表中的函数大多是不可重入的，其原因为：
a) 使用静态数据结构
b) 调用了malloc或free
c) 是标准I/O函数

子进程终止时

子进程接受到SIGSTOP信号停止时

子进程处于停止态，接受到SIGCONT后唤醒

子进程结束运行，其父进程会收到SIGCHLD信号。该信号的默认处理动作是忽略。
可以捕捉该信号，在捕捉函数中完成子进程状态的回收。

子进程结束status处理方式
主要依赖于waitpad函数

1.子进程继承了父进程的信号屏蔽字和信号处理动作
   但子进程没有继承未决信号集spending

2.注意注册信号捕捉函数的位置

3.应该再fork之前，阻塞SIGCHLD信号，
   注册完捕捉函数后解除阻塞

可能会使进程永远阻塞的一类。
如果再阻塞期间收到一个信号，该系统调用就被中断，不再继续执行；
也可以设定系统调用是否重启。
如：read、write、pause、wait...

getpid、getppid、fork...

资源共享

调度随机

缺乏必要的同步机制

建议锁（协同锁）

锁，不会限制资源访问

线程不按规矩访问数据依然成功，会出现数据混乱

pthread_mutex_t类型

返回值

pthread_mutex_init

pthread_mutex_destroy

pthread_mutex_lock

pthread_mutex_unlock

pthread_mutex_trylock

越小越好

再访问共享资源前加锁，访问结束后立即解锁

对同一个互斥量重复加锁

持有锁A的线程1请求锁B，持有锁B的线程2请求锁A

振荡

保证资源的获取顺序，要求每个线程获取资源的顺序一致

当得不到所有所需资源时，放弃已经获得的资源，等待

读共享，写独占

写锁优先级高

读模式下加锁状态(读锁)

写模式下加锁状态(写锁)

不加锁状态

"写模式加锁"

"读模式加锁"

适合于对数据结构读的次数远大于写

pthread_rwlock_t类型

返回值

参数

pthread_rwlock_init

pthread_rwlock_destroy

pthread_rwlock_rdlock

pthread_rwlock_wrlock

pthread_rwlock_tryrdlock

pthread_rwlock_trywrlock

pthread_rwlock_unlock

不是锁

可以造成线程阻塞

与mutex配合使用

pthread_cond_t类型

返回值

pthread_cond_init

pthread_cond_destroy

pthread_cond_wait

pthread_cond_timedwait

pthread_cond_signal

pthread_cond_broadcast

生产者消费者模型

优点：减少不必要的竞争

进化版互斥锁(1-->N)

保证同步的同时，提高并发

sem_t类型

sem_init

sem_destroy

sem_wait

sem_trywait

sem_timedwait

sem_post

生产者消费者模型

pthread_mutexattr_t类型

pthread_mutexattr_init

pthread_mutexattr_destroy

pthread_mutexattr_setpshared

pthread_mutexattr_getpshared

参数1

参数2

参数3

FD-->文件描述符
FP_POS-->文件指针
BUFFER-->缓冲区（c库函数维护）

区分一个函数是“系统函数”还是“库函数”依据：

函数原型：
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

常见错误

参数：open函数的返回值

返回值

从打开的设备或文件中读取数据

返回值

函数原型：ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

向打开的设备或文件中写数据

原型：ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count)；

返回值

函数作用

原型

返回值

应用

定义在头文件errno.h中

错误宏定义位置

是记录系统的最后一次错误代码
代码是一个int型的值

头文件

函数定义

函数说明

int mkdir(const char *pathname, mode_t mode);

DIR结构指针，该结构是一个内部结构，保存所打开的目录信息，作用类似于FILE结构

函数出错返回NULL

返回一条记录项
struct dirent
{
    ino_t d_ino; // 此目录进入点的inode
    ff_t d_off; // 目录文件开头至此目录进入点的位移
    signed short int d_reclen; // d_name 的长度, 不包含NULL 字符
    unsigned char d_type; // d_name 所指的文件类型
    har d_name[256]; // 文件名
};

Linux环境下，进程地址空间相互独立，每个进程各自有不同的用户地址空间。
任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程和进程之间不能相互访问，
要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，
内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess Communication）。

文件、管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名管道7种

常见的通信方式

管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe系统函数即可创建一个管道。

1.其本质是一个伪文件（实为内核缓冲区）

2.由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端

3.规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出

管道实为内核使用的环形队列机制，借助内核缓冲区（4K）实现

1.数据自己读不能自己写

2.数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可重复读取

3.由于管道采用半双工通信方式，因此，数据只能在一个方向上流动

4.只能在有公共祖先的进程间使用管道

创建管道

返回

规定

使用方式/步骤

读写行为

管道缓冲区大小

管道的优劣

命令：mkfifo 管道名

库函数：int mkfifo（const char *pathname， mode_t mode）；成功：0，失败：-1

fork后父子进程共享文件描述符

无血缘关系进程打开同一文件

存储映射I/O (Memory-mapped I/O) 使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射。
于是当从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节。
于此类似，将数据存入缓冲区，则相应的字节就自动写入文件。
这样，就可在不适用read和write函数的情况下，使用地址（指针）完成I/O操作。

使用这种方法，首先应通知内核，将一个指定文件映射到存储区域中。这个映射工作可以通过mmap函数来实现。

原型

参数

返回值

注意事项

同malloc函数申请内存空间类似，mmap建立的映射区在使用结束后也应调用类似free的函数来释放

原型

父子的等有血缘关系的进程之间可以通过mmap建立的映射区来完成数据通信
但相应的要在创建映射区时指定相应的标志位参数flags

结论

解决的问题

方案

注意

实际上mmap是内核借助文件帮我们创建了一个映射区，多个进程之间利用映射区完成数据传递，
由于内核空间多进程共享，因此无血缘关系的进程也可以使用mmap来完成通信
只要设置相应的标志位参数flags即可（MAP_SHARED）

strace  ./test  得到可执行文件执行时进行的系统调用

使用同一文件创建映射区

可多读端，多写端

LWP：轻量级的进程，本质仍是进程(在Linux环境下)

共享进程地址空间

拥有独立的PCB

Linux下

创建线程和创建进程类似-->clone

有不同的PCB，但三级页表相同

进程可以蜕变成线程

是寄存器和栈的集合

以LWP号作为分配cpu资源依据(ps -Lf 进程ID可查看)

三级映射

1.文件描述符表

2.信号处理方式

3.当前工作目录

4.用户ID和组ID

5.内存地址空间(.text/.data/.bss/heap/共享库，除去栈)

线程间共享全局变量。

1.线程ID

2.处理器线程和栈指针（内核栈）

3.独立的用户栈空间

4.errno变量

5.信号屏蔽字

6.调度优先级

优点

缺点

sudo apt-get update 更新本地软件列表

sudo apt-get install manpages-posix manpages-posix-dev

验证: man -k pthread

获取进程ID， 对应进程中的getpid()函数

pthread_t pthread_self(void);

线程ID

创建一个新线程，  对应于进程中的fork()函数

int pthread_create ( pthread_t *thread,  const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);

返回值

参数

将单个线程退出

void pthread_exit(void *retval);

参数

对比

阻塞等待线程退出，获取线程退出状态。   对应于进程中wait（）函数

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

参数

实现线程分离

int pthread_detach(pthread_t thread); 成功：0；失败：错误号

线程分离状态：1.线程与主控线程断开关系
                        2.线程结束自己自动释放

不能对一个已经处于detach状态的线程调用pthread_join,否则返回EINVAL错误

杀死(取消)线程，  对应于进程的kill函数

int pthread_cancel(pthread_t thread); 成功：0；失败：错误号

注意：线程的取消并不是实时的，而有一定的延时。需要等待线程到达某个取消点(检查点)

取消点

终止线程方式

比较两个线程ID是否相等

int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

进程

fork

exit(10)

wait(int *)

kill

getpid

线程分离状态

线程栈空间大小

线程警戒区大小

线程栈低地址

。。。

pthread_attr_init函数

pthread_attr_destory函数

pthread_attr_getdetachstate函数

pthread_attr_setdetachstate函数

pthread_attr_getstack函数

pthread_attr_setstack函数

pthread_attr_getstacksize函数

pthread_attr_setstacksize函数

getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION

pthread_join回收线程

pthread_detach分离线程

指定分离属性，再pthread_create线程

malloc和mmap内存可被其他线程释放