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设计中国飞机的第一架飞机的人是谁_当地建设工程信息网_关键词广告_seo快速排名外包

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1.2 POSIX标准与系统调用
1.2.1 POSIX标准概要
1.2.1.1 什么是POSIX标准

POSIX（Portable Operating System Interface of Unix）标准是一系列由IEEE定义的操作系统接口标准，其目标是在Unix操作系统族之间实现源码级别的兼容性。这些标准定义了一组API，使不同操作系统之间的底层操作保持一致，从而提升了软件的可移植性和系统的可操作性。

1.2.1.2 POSIX前缀 _POSIX_ 的意义

在C语言编程中，POSIX标准参与的内容通常以_POSIX_作为前缀，这是为了标识这些内容由POSIX标准指定。例如_POSIX_VERSION宏常用于检查程序运行的系统是否支持某些特定的POSIX版本及其功能。除此之外，诸如_POSIX_SOURCE这样的宏可以用来指明代码是依照POSIX标准编写，确保编译器检验POSIX兼容性。

1.2.1.3 常见POSIX标准头文件

在C语言编程中，有几个POSIX标准头文件需要特别注意：

  1. unistd.h：
    unistd.h文件提供了一个对POSIX API的接口，包括常见的系统调用如fork()、exec()、read()等。该文件的头定义了系统服务的访问接口，是Unix环境下编程的基础。
#include <unistd.h>
  1. fcntl.h：
    fcntl.h文件包含与文件控制操作相关的定义，这些操作包括描述符管理如关闭、重定向文件描述符等操作。特别常见的函数有fcntl()，open()等。
#include <fcntl.h>
  1. sys/types.h：
    sys/types.h文件定义了系统数据类型，如pid_t、off_t等，这些类型在许多POSIX API中都被使用到。
#include <sys/types.h>

这些文件均提供系统级操作的接口，确保代码可以在不同的POSIX兼容系统上运行。这使C语言程序更具通用性和移植性。

代码示例：

以下是一个简单示例，演示通过这些头文件调用POSIX标准系统API的基本用法：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>int main() {pid_t pid;// 使用unistd.h中的fork()创建一个子进程pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork failed");return 1;} else if (pid == 0) {printf("This is the child process.\n"); // 子进程代码块 [1]} else {printf("This is the parent process with child PID: %d\n", pid); // 父进程代码块 [2]}// 使用fcntl.h中的open()打开一个文件int fd = open("example.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0644); // 打开文件示例 [3]if (fd < 0) {perror("open failed");return 1;}char *str = "Hello, POSIX!\n";write(fd, str, sizeof(str) - 1); // 将字符串写入文件 [4]close(fd); // 关闭文件描述符 [5]return 0;
}
关键概念及函数解释：

  • [1] 子进程代码块：在 fork() 的返回值为 0 时，表示当前执行的是子进程，所以执行子进程的相关代码。在子进程中，pid 的值是 0，通常用于子进程要执行的代码分支。

  • [2] 父进程代码块：当 fork() 的返回值大于 0 时，表示当前执行的是父进程，并且返回值是子进程的进程 ID (PID)。父进程可以利用此 PID 进行子进程的管理和通信。

  • [3] 打开文件示例：open("example.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0644) 调用 open() 函数以只写模式打开（或创建）名为 example.txt 的文件，如果文件不存在则创建文件。其中，O_CREAT 表示如果文件不存在则创建，O_WRONLY 表示只写模式，0644 是文件权限，表示所有者可读写，其他用户可读。

  • [4] 将字符串写入文件：write() 函数用于将存储在 str 中的数据写入文件。这将在文件中写入字符串 "Hello, POSIX!\n"。

  • [5] 关闭文件描述符：close(fd) 用于关闭文件描述符 fd，以释放系统资源，确保数据写入完成。

POSIX 标准带来的优势：

使用这些POSIX标准库函数能确保代码在大多数Unix类系统中通用。这些函数的标准化定义提高跨平台兼容性，支持各种Unix操作系统下的进程管理和文件操作。

1.2.2 常用的系统调用

这一部分涵盖了一些在C语言中常用的系统调用，这些调用都是POSIX标准中的一部分。理解和熟练使用这些系统调用对深刻掌握系统编程至关重要。

1.2.2.1 进程管理相关系统调用（fork, exec, wait）

进程管理是操作系统的核心任务之一，包括创建、运行、调度和终止进程等操作。以下是几个常用的进程管理系统调用：

  • fork：

    • 作用：fork 用于创建一个子进程。新创建的子进程几乎完全复制父进程的地址空间。

    • 特点：

      • 创建出的子进程和父进程的代码和数据是相同的，但运行的上下文不同。
      • fork 的返回值在父进程中是子进程的PID，在子进程中是0。
      #include <unistd.h> // 包含 fork() 函数的头文件 [1]
#include <stdio.h>int main() {pid_t pid = fork(); // 调用 fork() [2]if (pid == 0) {printf("I am the child process\n"); // 子进程执行部分 [3]} else {printf("I am the parent process, child's PID: %d\n", pid); // 父进程执行部分 [4]}return 0;
}
      • [1] 包含 <unistd.h>：该头文件是Unix标准中的一部分，提供了对于POSIX操作系统API的访问，fork() 函数就在其中。
      • [2] 调用 fork()：fork() 函数用于创建一个新进程。它在调用时会复制调用它的进程（父进程），并创建一个新进程（子进程）。fork() 会返回两次：一次在父进程中，返回子进程的进程ID（PID）；一次在子进程中，返回0。
      • [3] 子进程执行部分：如果 fork() 返回0，说明当前执行的代码在子进程中，因此这里的 printf() 会输出 “I am the child process”。
      • [4] 父进程执行部分：如果 fork() 返回一个正数，该数就是新创建子进程的PID，则说明当前代码在父进程中执行，因此这里的 printf() 会输出" I am the parent process, child’s PID: "，并跟上子进程的PID。

      fork()特性：

      • 并发执行：父进程和子进程会从fork()返回点开始并发执行。
      • 内存复制：子进程是对父进程进程模板的一个拷贝，包括数据段、堆栈等。
      • 区别标识：通过fork()返回的pid 可以在逻辑上区分是父进程还是子进程。

  • exec：

    • 作用：exec 系列函数用于用一个新程序替换当前进程的地址空间。这些函数族包括execl、execv、execle等。

    • 特点：

      • 执行 exec 后，进程的旧程序代码被新程序代码替换，进程ID不变。
      #include <unistd.h>// 主函数
int main() {char *args[] = {"ls", "-l", NULL};  // 参数列表 [1]execv("/bin/ls", args);             // 使用 execv 执行命令 [2]return 0;
}

      • [1] 参数列表：char *args[] = {"ls", "-l", NULL}; 声明一个字符串数组，用于指定将要执行的命令及其参数。数组的最后一个元素 NULL 表示参数列表的结束。

        • "ls"：命令名称，表示列出文件。
        • "-l"：参数，表示需要以详细格式显示文件信息。

      • [2] 使用 execv 执行命令：execv() 函数用来在程序中执行另一个程序。它接收两个参数：

        • "/bin/ls"：要执行的二进制执行文件路径。
        • args：包含命令行参数的数组。

        execv() 会将当前进程替换为新程序，即 /bin/ls，并且不会返回到调用它的程序，除非执行失败。在成功执行后，原有程序的代码从内存中被替换，新程序开始其执行流。注意：如果执行execv失败，它将返回-1，否则不会返回，因为成功的执行会替换掉当前进程。

此代码样板示范了如何在C语言中利用 execv 函数执行一个Linux系统命令。在此案例中，程序将调用 ls -l 命令列出当前目录下的文件细节。

  • wait：

    • 作用：父进程通过 wait 等待子进程终止，并且可以获取子进程的终止状态。

    • 特点：

      • wait 阻塞父进程，直到一个子进程终止。
      • 返回值是终止的子进程的PID。
      #include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid == 0) {// 子进程 [1]sleep(2);           // 让子进程暂停2秒 [2]_exit(0);           // 子进程退出 [3]} else {// 父进程 [4]int status;wait(&status);      // 等待子进程结束 [5]printf("Child process terminated\n");}return 0;
}
      • [1] 子进程：fork() 函数创建一个新的进程（子进程），此处 pid == 0 表示当前代码块正在子进程中执行。
      • [2] 让子进程暂停2秒：sleep(2) 使子进程休眠2秒钟，模拟子进程的处理时间。
      • [3] 子进程退出：_exit(0) 用于使子进程正常退出。注意：与 exit() 不同，_exit() 是直接退出过程的低级操作，不会调用 atexit() 注册的函数。
      • [4] 父进程：pid 大于0时表示当前代码块在父进程中执行。
      • [5] 等待子进程结束：wait(&status) 函数使父进程等待子进程结束，将子进程的结束状态存储到 status 中。如果有多个子进程，可以用 waitpid() 来等待特定的子进程。

整体上，此程序展示了基本的父子进程协作机制，通过 fork() 创建子进程，并用 wait() 同步两个进程的进度，确保父进程能够在子进程终止后进行后续处理。

1.2.2.2 文件操作相关系统调用（open, read, write, close）

文件操作是操作系统提供的一项基本功能，以下几个系统调用是文件操作中最重要的一部分：

  • open：

    • 作用：open 用于打开一个文件，如果文件不存在则可以创建它，返回一个文件描述符。

    • 特点：

      • 参数包括文件路径、访问模式和可选的文件权限。
      • 返回值是一个文件描述符，用于后续的文件操作。
      #include <fcntl.h>   // 文件控制选项头文件 [1]
#include <unistd.h>  // POSIX 操作系统 API，例如文件操作函数 [2]int main() {int fd = open("example.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0644); // 打开或创建文件 [3]if (fd == -1) { // 错误检查 [4]perror("open"); // 输出错误信息 [5]return 1;    // 返回非零值表示错误 [6]}close(fd);        // 关闭文件描述符 [7]return 0;        // 返回零表示成功 [8]
}
      • [1] 文件控制选项头文件：<fcntl.h> 提供了文件控制的相关定义和函数，如 open 函数的选项标志。
      • [2] POSIX 操作系统 API：<unistd.h> 包含对 POSIX 操作系统 API 的访问，例如 close()、read() 和 write()。
      • [3] 打开或创建文件：open() 函数尝试打开文件 “example.txt”。如果文件不存在，则使用 O_CREAT 标志创建新文件。使用 O_WRONLY 选项打开文件进行写操作，0644 为文件权限，表示用户有读写权限，组用户有读权限，其他用户也有读权限。
      • [4] 错误检查：检查 open() 的返回值是否为 -1，以此判断文件打开是否成功。
      • [5] 输出错误信息：如果 open() 失败，使用 perror() 打印错误信息以帮助诊断问题。
      • [6] 返回非零值表示错误：若文件打开失败，则返回 1 以指示程序执行错误。
      • [7] 关闭文件描述符：使用 close() 函数释放文件描述符，以避免资源泄漏。
      • [8] 返回零表示成功：程序完成正常流程，即成功打开并关闭文件，返回 0。

  • read：

    • 作用：read 从一个打开的文件中读取数据。

    • 特点：

      • 参数包括文件描述符、缓冲区和要读取的字节数。
      • 返回值是实际读取的字节数。
      #include <unistd.h>    // 包含用于系统调用的库函数 [1]
#include <fcntl.h>     // 包含文件控制定义 [2]
#include <stdio.h>     // 包含标准输入输出函数int main() {int fd = open("example.txt", O_RDONLY);       // 打开文件 [3]if (fd == -1) {                               // 检查文件是否成功打开 [4]perror("open");                           // 错误处理，输出错误信息 [5]return 1;}char buffer[128];                             // 定义一个缓冲区用于存储读取的数据 [6]ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer)); // 读取文件中数据到缓冲区 [7]if (bytes_read == -1) {                       // 检查读取过程是否出错 [8]perror("read");                           // 错误处理，输出读取错误信息 [9]} else {printf("Read %zd bytes: %s\n", bytes_read, buffer); // 输出读取的字节数和内容 [10]}close(fd);                                    // 关闭文件 [11]return 0;
}
      • [1] unistd.h库：该库提供对POSIX操作系统API的访问，它包含了许多文件操作的系统调用定义，如read和close。
      • [2] fcntl.h库：用于文件控制操作，提供文件描述符操作的定义，如open中的标志O_RDONLY。
      • [3] 打开文件：open("example.txt", O_RDONLY)尝试以只读模式打开文件，返回文件描述符fd用于后续操作。
      • [4] 检查文件是否成功打开：如果open返回-1，表示打开文件失败。
      • [5] 错误处理：perror输出系统错误信息，帮助诊断问题。
      • [6] 缓冲区声明：char buffer[128]为数据读取定义了一个128字节的存储空间。
      • [7] 读取文件：read(fd, buffer, sizeof(buffer))从文件中读取最多128字节的数据到buffer。
      • [8] 检查读取过程是否出错：如果read返回-1，意味着读取错误。
      • [9] 读取错误处理：输出文件读取时可能发生的错误信息。
      • [10] 输出读取结果：如果读取成功，输出实际读取的字节数和读取内容。
      • [11] 关闭文件：为释放系统资源，close(fd)用于关闭文件描述符。

  • write：

    • 作用：write 向一个打开的文件中写入数据。

    • 特点：

      • 参数包括文件描述符、缓冲区和要写入的字节数。
      • 返回值是实际写入的字节数。
      #include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h> // 为了使用 strlen()int main() {// 打开文件 example.txt，以只写模式打开，并截断文件内容 [1]int fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_TRUNC);if (fd == -1) { // 检测打开文件是否失败 [2]perror("open"); // 输出错误信息return 1; // 返回错误码}const char *text = "Hello, World!"; // 写入文件的文本// 写入操作 [3]ssize_t bytes_written = write(fd, text, strlen(text));if (bytes_written == -1) { // 检查写入是否成功 [4]perror("write"); // 输出错误信息}close(fd); // 关闭文件描述符 [5]return 0; // 正常结束程序
}
      • [1] 打开文件：使用 open() 函数，指定了两个标志：O_WRONLY 表示以只写模式打开文件，O_TRUNC 用于打开文件时立即将其长度截断为零，如果文件存在，并且成功打开，返回文件描述符 fd。
      • [2] 错误检测：open() 返回 -1 表示文件打开失败，使用 perror() 输出错误信息，以便调试。
      • [3] 写入操作：使用 write() 函数将文本数据写入到打开的文件，传递文件描述符、数据缓冲区以及要写入数据的字节数。
      • [4] 写入检测：bytes_written 存储写入的字节数，如果为 -1，则表示写入失败，并使用 perror() 输出错误信息。
      • [5] 关闭文件描述符：close() 关闭当前打开的文件描述符 fd，释放资源。

  • close：

    • 作用：close 关闭一个打开的文件描述符，释放相关资源。

    • 特点：

      • 参数是要关闭的文件描述符。
      • 返回值0表示成功，-1表示失败。
      #include <unistd.h>
#include <fcntl.h>// 主函数
int main() {// 打开文件 example.txt，以只读方式 [1]int fd = open("example.txt", O_RDONLY);// 检查文件描述符是否有效 [2]if (fd == -1) {perror("open"); // 打印错误信息 [3]return 1;       // 返回错误码 [4]}close(fd);          // 关闭文件描述符 [5]return 0;           // 正常退出程序
}
      • [1] 打开文件：open("example.txt", O_RDONLY) 尝试以只读方式打开名为 example.txt 的文件。O_RDONLY 是一个常量，表示以只读模式打开文件。
      • [2] 检查文件描述符：打开文件时，函数 open 返回一个文件描述符，它是一个非负整数。如果 open 返回 -1，表示文件打开失败。
      • [3] 打印错误信息：若 open 失败，perror("open") 会输出错误到标准错误流(stderr)，说明出错的原因，例如“文件不存在”。
      • [4] 返回错误码：若文件打开失败，返回错误码 1 以指示程序异常终止。
      • [5] 关闭文件描述符：使用 close(fd) 释放文件描述符资源，这是一个良好的编程实践，用于避免文件描述符泄漏。
1.2.2.3 内存管理相关系统调用（brk, mmap, munmap）

内存管理系统调用用于管理进程的地址空间和虚拟内存：

  • brk：

    • 作用：brk 设置程序数据段的末尾。

    • 特点：

      • 主要用于动态内存分配的底层实现。
      • 直接调用不常见，多通过库函数（如malloc）间接使用。
      #include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {void *initial_break = sbrk(0);  // 获取初始程序段断点位置 [1]printf("Initial program break: %p\n", initial_break);sbrk(4096);  // 增加4096字节的程序段空间 [2]void *new_break = sbrk(0);  // 获取新程序段断点位置 [3]printf("New program break: %p\n", new_break);return 0;
}
      • [1] 获取初始程序段断点位置：sbrk(0) 用于获取当前的程序段断点（program break）位置，表示数据段的末端。程序的堆空间从该断点开始向高地址扩展。
      • [2] 增加程序段空间：通过调用 sbrk(4096) 来增加4096字节的程序段空间，即扩大堆的大小，使得程序可以拥有更多的动态内存。
      • [3] 获取新程序段断点位置：再次调用 sbrk(0) 获取新的程序段断点位置，观察空间增加后的效果。

      深入解析

      • 程序段断点（Program Break）：指的是进程的虚拟地址空间中数据段的当前终点。通过增加此断点，可以动态调整程序的堆内存，即在需要时分配更多的内存。
      • sbrk() 函数：
        • void *sbrk(intptr_t increment)：其中 increment 为正数时，用于增加程序段空间；为负数时，用于减少程序段空间。sbrk(0) 返回当前的断点位置。
        • 如果 sbrk() 成功，返回新程序段断点位置；如果失败，返回 (void *) -1，并设置 errno。
      • 应用场景：
        • 这种方式主要用于实现类似于 malloc 的内存管理函数，从操作系统请求以页为单位的内存。

该示例展示了如何使用 sbrk 来查看和调整程序的内存使用。然而，在现代编程中，直接使用 sbrk 进行内存管理已不推荐，通常由更加安全、高效的内存分配器如 malloc 来处理。

  • mmap：

    • 作用：mmap 用于将文件或设备映射到进程的地址空间。

    • 特点：

      • 可以实现内存映射文件访问。
      • 返回值是映射区域的起始地址指针。
      #include <fcntl.h>     // 文件控制定义 [1]
#include <sys/mman.h>  // 内存映射定义 [2]
#include <unistd.h>    // POSIX 操作系统 API [3]
#include <stdio.h>     // 标准输入输出定义int main() {// 打开文件 example.txt，以只读方式int fd = open("example.txt", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("open"); // 打印错误信息 [4]return 1;}// 获取文件大小off_t size = lseek(fd, 0, SEEK_END); // 移动文件指针到文件末尾以获取文件大小 [5]// 映射文件到内存char *mapped = mmap(NULL, size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);if (mapped == MAP_FAILED) {perror("mmap"); // 映射失败时打印错误信息 [6]return 1;}// 输出映射的文件内容printf("Mapped file content: %.*s\n", (int)size, mapped); // 格式化输出文件内容 [7]// 解除映射关系munmap(mapped, size);// 关闭文件描述符close(fd);return 0;
}
      • [1] 文件控制定义：<fcntl.h> 用于文件控制操作的函数，例如 open。
      • [2] 内存映射定义：<sys/mman.h> 提供内存映射操作的函数，例如 mmap 和 munmap。
      • [3] POSIX 操作系统 API：<unistd.h> 提供对系统调用及 POSIX 操作的访问，例如 close 和 lseek。
      • [4] 打印错误信息：perror 用于显示系统错误信息。open 函数如果返回 -1，表示文件打开失败。
      • [5] 移动文件指针获取文件大小：lseek(fd, 0, SEEK_END) 将文件指针移动到文件末尾，返回文件的大小。
      • [6] 映射失败时打印错误信息：mmap 函数返回 MAP_FAILED 时表示内存映射失败，输出错误信息。
      • [7] 格式化输出文件内容：printf 使用格式说明符 %.*s 输出指定长度的字符串，这里 size 是文件大小，将映射的内容打印到控制台。

注意：该程序假设 example.txt 存在，并且用户有读权限。程序会将文件内容映射到内存，这是一种直接处理文件数据的方法，常用于需要大量文件 I/O 操作的场景。内存映射文件允许程序像数组一样访问文件内容，提高了文件 I/O 的效率。

  • munmap：

    • 作用：munmap 用于解除内存映射。
    • 特点：
      • 参数包括映射地址和尺寸。
      • 返回值是0表示成功，-1表示失败。
    // 同mmap的示例代码，包含了munmap的调用
1.2.2.4 设备管理相关系统调用（ioctl）

ioctl 是设备控制和管理的系统调用，非常通用，适用于各种I/O控制操作。它允许程序发送特定的控制命令给设备。

  • ioctl：

    • 作用：ioctl 实现设备的输入输出控制。

    • 特点：

      • 参数包括文件描述符、命令和可选的参数。
      • 返回值通常是0表示成功，-1表示失败。
      #include <sys/ioctl.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <linux/fb.h>// 主函数
int main() {// 通过 `open` 打开帧缓冲设备文件`/dev/fb0` [1]int fd = open("/dev/fb0", O_RDWR);if (fd == -1) {  // 检查文件打开是否成功perror("open");  // 输出错误信息return 1;  // 返回错误码}struct fb_var_screeninfo vinfo;  // 定义存储屏幕信息的结构体 [2]// 使用 `ioctl` 获取屏幕参数信息 [3]if (ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo)) {perror("ioctl");  // 输出错误信息close(fd);  // 关闭文件描述符return 1;  // 返回错误码}// 打印屏幕分辨率及每像素的位数 [4]printf("Resolution: %dx%d, %dbpp\n", vinfo.xres, vinfo.yres, vinfo.bits_per_pixel);close(fd);  // 关闭文件描述符 [5]return 0;
}
      • [1] 打开帧缓冲设备文件：open("/dev/fb0", O_RDWR) 用于以读写模式打开帧缓冲设备文件 /dev/fb0，返回一个文件描述符 fd。如果返回值为 -1，表示打开失败。
        • /dev/fb0 是 Linux 系统下的默认帧缓冲设备，代表图形屏幕缓冲区。
      • [2] 定义存储屏幕信息的结构体：struct fb_var_screeninfo 是一个结构体，用于存储可变屏幕信息，例如分辨率及色深信息。
      • [3] 使用 ioctl 获取屏幕参数信息：ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo) 使用 ioctl 系统调用来获取帧缓冲设备的可变屏幕信息，将结果存储在 vinfo 结构体中。
        • FBIOGET_VSCREENINFO 是一个请求码，用于指示 ioctl 需要获取屏幕的可变信息。
      • [4] 打印屏幕分辨率及每像素的位数：通过 printf 函数输出屏幕当前分辨率（xres 和 yres）及每像素的位数（bits_per_pixel）。
      • [5] 关闭文件描述符：close(fd) 关闭文件描述符，释放相关资源。这是一个良好的资源管理实践，确保不浪费系统资源。
小结

掌握这些常用的系统调用是编写高效稳定的C语言程序的基础。系统调用直接与操作系统内核进行交互，提供了许多在用户级别不可访问的功能。因此，深入理解这些调用的使用方法和注意事项，对于实现底层系统级编程至关重要。通过本文的详细讲解，希望你能够更好地理解和应用这些系统调用，提高项目开发中的程序性能和稳定性。

结语与练习

为了巩固你对这些系统调用的理解，建议你尝试以下练习：

  1. 编写一个小程序，使用 fork 创建一个子进程，然后在子进程中执行另一个程序（如 ls），父进程等待子进程结束后输出子进程的终止状态。
  2. 实现一个简单的文件复制程序，使用 open、read、write 和 close 完成对文件的读取和写入操作。
  3. 编写一个程序，使用 mmap 映射文件进行读写操作，并在完成后使用 munmap 解除映射。
  4. 设计一个例子，使用 ioctl 获取设备的某些参数（如显示设备的分辨率）并输出到屏幕。

这些练习将帮助你更好地理解这些系统调用的使用场景和注意事项，进一步提升你的系统编程能力。

通过不断练习和应用，你将逐步掌握这些关键的系统调用，提升编写稳定、高效的C语言项目的能力。

希望这些内容对你的学习和项目开发有所帮助！如果在实践中遇到问题，欢迎随时提出问题以便进一步探讨。

1.2.3 使用系统调用的注意事项

系统调用是操作系统为应用程序提供的一组接口，允许应用程序访问底层操作系统服务。尽管系统调用简化了与操作系统交互的复杂性，但它们在使用时也有一些重要的注意事项。以下是关于使用系统调用的一些关键注意事项的详细解释。

1.2.3.1 错误处理与errno

errno简介：
errno 是一个全局变量，用于保存最近一次系统调用失败的错误代码。每个系统调用在执行失败时，通常会设置相应的错误代码到 errno，以便程序能够据此进行错误处理。

作用与使用：

  • 错误检测：在每次系统调用之后，需要检测该调用是否失败。通常，系统调用在失败时会返回一个负值（例如 -1），此时应检查 errno 以了解具体的失败原因。
  • 错误处理：根据 errno 的值，决定如何处理错误（如重新尝试操作、记录日志、退出程序等）。
  • 线程安全：在多线程环境中，应使用 per-thread errno，确保每个线程都有独立的 errno，避免竞态条件。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>int main() {if (unlink("non_existent_file.txt") == -1) { // 尝试删除不存在的文件 [1]perror("Error deleting file");            // 打印错误信息 [2]printf("errno: %d\n", errno);             // 显示 errno 值 [3]}return 0;
}

  • [1] 尝试删除不存在的文件：unlink() 函数用于删除文件。在这里，它尝试删除一个名为 “non_existent_file.txt” 的文件。如果文件不存在或无法删除，将返回 -1 并设置 errno。

    • unlink 函数是一个系统调用，用于删除一个文件名的目录目录项，从而减少硬链接数。如果硬链接数减少到0且没有进程打开此文件，则文件才会从文件系统中被删除。

  • [2] 打印错误信息：perror() 函数接受一个字符串参数并在标准错误输出中打印出错误信息。它会基于当前的 errno 值输出一个描述性文本信息，以帮助诊断错误。此处 perror("Error deleting file") 将输出类似于 “Error deleting file: No such file or directory” 的消息。

  • [3] 显示 errno 值：errno 是一个全局变量，表示最近一次系统调用失败的错误代码。此代码段使用 printf() 打印出 errno 的当前值，以提供额外的错误诊断信息，例如，若返回值为 ENOENT（典型值为2），说明文件或目录不存在。

这种错误处理方式在编程中非常基础也非常重要。当进行文件操作（如打开、读取、写入、删除等）时，处理可能发生的错误有助于提高程序的健壮性，确保程序可以在出错时执行适当的补救操作。

1.2.3.2 系统调用的原子性与线程安全

原子性：

  • 定义：原子性指某个操作要么完全执行，要么完全不执行，中间不会被打断。
  • 应用：某些系统调用是原子操作，例如 write 一次写入的数据长度不超过管道缓冲区长度时，操作是原子的。如果写入的数据过长，则可能被拆分，导致操作不再是原子的。

线程安全：

  • 线程安全的系统调用：一些系统调用在多线程环境下是线程安全的，即多个线程同时调用时不会破坏内部状态或互相影响。
  • 注意事项：在设计多线程程序时，应明确哪些系统调用是线程安全的，而哪些不是。例如，gethostbyname 是非线程安全的，而 getaddrinfo 是线程安全的。
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>// 自定义线程函数
void* thread_func(void* arg) {// 使用 write 函数输出信息write(STDOUT_FILENO, "Hello from thread\n", 18); // 原子操作 [1]return NULL;
}int main() {pthread_t thread; // 定义线程标识符pthread_create(&thread, NULL, thread_func, NULL); // 创建新线程 [2]pthread_join(thread, NULL); // 等待线程结束 [3]return 0;
}

  • [1] 原子操作：write(STDOUT_FILENO, "Hello from thread\n", 18); 使用的是 write 系统调用，通常这是一个原子操作。意味着，即使多个线程尝试同时调用 write，每次调用都会完整执行，不会与其他线程的执行结果交织。这是因为 write 是一个底层的系统调用，由操作系统内核保证其原子性，并且这种特性在操作小量数据时尤为适用，比如打印短信息。

  • [2] 创建新线程：pthread_create(&thread, NULL, thread_func, NULL); 用于创建一个新线程。thread 是线程标识符，NULL 表示默认线程属性，thread_func 是线程执行的函数。线程创建后会返回一个标识符 pthread_t 类型的 thread。

  • [3] 等待线程结束：通过 pthread_join(thread, NULL); 主线程将等待 thread 线程的结束。pthread_join 函数使得主线程暂停执行，直到调用的线程 thread 完成，确保了应用程序的井序终止。

这个简单的多线程程序展示了如何创建线程并确保输出操作的线程安全性。利用系统调用 write 的原子性，避免了多线程环境下的输出混乱问题。如果使用的打印函数不具备原子性（比如 printf），则可能需要额外的同步机制（如互斥锁）来确保线程安全。

1.2.3.3 性能和效率问题

性能注意事项：

  • 系统调用开销：系统调用的上下文切换产生了一定的开销。频繁的系统调用会影响程序性能。
  • 缓冲区大小：对于 I/O 操作，选择合适的缓冲区大小能显著提高性能。过小的缓冲区会导致频繁的系统调用，而过大的缓冲区会消耗大量内存。

优化策略：

  • 减少系统调用次数：合适地调优程序逻辑，例如合并多个小 I/O 操作为一个较大操作，可以减少系统调用的开销。
  • 使用高效的系统调用：在可能的情况下，选择更高效的系统调用。例如，用 mmap 替代 read 和 write。
  • 非阻塞 I/O：对于高性能应用，考虑使用非阻塞 I/O 或者异步 I/O 来避免阻塞等待。
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>int main() {int fd = open("example.txt", O_RDONLY); // 打开文件 [1]if (fd == -1) {perror("Error opening file");return 1;}struct stat sb;if (fstat(fd, &sb) == -1) { // 获取文件大小 [2]perror("Error getting file size");close(fd);return 1;}// 将文件内容映射到内存 [3]char* file_in_memory = mmap(NULL, sb.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);if (file_in_memory == MAP_FAILED) {perror("Error mapping file");close(fd);return 1;}// 高效输出文件内容 [4]write(STDOUT_FILENO, file_in_memory, sb.st_size);// 解除映射 [5]munmap(file_in_memory, sb.st_size);close(fd);return 0;
}
  • [1] 打开文件：open() 函数以只读方式打开文件 example.txt，并返回文件描述符 fd。如果打开失败，fd 返回 -1。
  • [2] 获取文件大小：调用 fstat() 函数获取文件的属性信息，并通过 sb.st_size 来获取文件大小。
  • [3] 将文件内容映射到内存：mmap() 函数用于将文件内容映射到内存，返回指向内存区域的指针 file_in_memory。使用 PROT_READ 保护对内存段的只读权限，MAP_PRIVATE 指定创建一个私有副本。
  • [4] 高效输出文件内容：通过 write() 函数直接从映射的内存中输出文件内容到标准输出。
  • [5] 解除映射：使用 munmap() 函数解除文件的内存映射，释放关联的虚拟内存。随后关闭文件描述符 fd。

这种方法适用于处理大文件或者需要频繁访问数据的场合，能够减少 I/O 操作时间，提高程序执行效率。

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