函数分类
库函数
系统提供的,不能直接访问内核的,如printf,fopen等
系统调用
系统提供的,可以直接访问内核的,如open,close等
自定义函数
自己编写的
注意:man命令查看帮助手册
章节1 查命令
章节2 系统调用
章节3 库函数
系统编程概述
操作系统的职责
操作系统用来管理所有的资源,并将不同的设备和不同的程序关联起来
什么是linux系统编程
在有操作系统的环境下编程,并使用操作系统提供的系统调用及各种库,对系统资源进行访问
学会了C语言再知道一些使用系统调用的方法,就可以进行linux系统编程了
什么是系统调用
系统调用是操作系统提供给用户程序的一组特殊的函数接口
类UNIX系统的软件层次
内核功能的通俗解释
- 进程管理：
- 进程就好比是工厂里的一条条生产线。内核就是工厂的管理员，它决定什么时候开启一条新的生产线（创建进程），哪条生产线先工作、工作多久（进程调度），什么时候关掉生产线（终止进程）。比如说，你一边听歌一边写文档，这就相当于两条生产线同时开工，内核会安排它们合理地使用 CPU 这个 “动力源”。
- 内存管理：
- 内存就像是一个大仓库，内核就是仓库管理员。它要把这个仓库划分好，给每个软件（进程）分配好地方来存放自己的东西（数据），而且还要保证不同软件的东西不会混在一起。就像把仓库隔成一个个小房间，每个软件有自己的房间，不会互相干扰。
- 设备驱动管理：
- 硬件设备就像是不同的工具，内核里的设备驱动就像是这些工具的使用说明书。当你插入一个新的工具（比如 U 盘），内核就会找到对应的说明书（驱动程序），然后学会怎么用这个工具，让你能通过电脑来使用 U 盘里的东西。
- 文件系统管理：
- 计算机里的文件和文件夹就像是图书馆里的书和书架。内核就是图书馆管理员，它决定了书怎么摆放（文件存储格式）、谁能看哪些书（访问权限），以及书架怎么排列（目录结构）。当你想找一本书（打开一个文件），内核就会帮你找到它。
用户态和内核态
CPU指令是可以操作硬件的,要是因为指令操作的不规范,造成的错误是会影响整个计算机操作系统的,就像你在写一个程序,但是因为你对硬件的操作不熟悉导致出现了问题,那么你的影响范围将会是整个计算机系统,操作系统内核,以及其他所有正在运行的程序,都会因为操作失误收到不可挽回的错误
而对于 硬件的操作 是非常复杂的，参数众多，出问题的几率相当大，必须及其谨慎的进行操作，这对于个人开发者来说是个艰巨的任务，同时个人开发者在这方面也是不被信任的。所以 操作系统内核 直接屏蔽了个人开发者对于硬件操作的可能 .这方面 系统内核 对 硬件操作 进行了封装处理，对外提供标准函数库，操作更简单、更安全。比如 我们要打开一个文件， C 标准函数库中对应的是 fopen() ，其内部封装的是内核中的系统函数 open()因为这个需求,硬件设备商直接提供了硬件级别的支持,做法就是对CPU指令设置了权限,不同级别的权限可以使用的CPU指令是有限制的,以Inter CPU为例,Inter 把CPU指令操作的权限划为4级:ring 0ring 1ring 2ring 3其中ring 0权限最高,可以使用所有CPU指令,ring 3权限最低,仅能使用常规CPU指令,这个级别的权限不能使用访问硬件资源的指令,比如IO读写,网卡访问,申请内存都不行,都没有权限linux系统内核采用了:ring 0 和ring 3 这两个权限ring 0:内核态,完全在操作系统内核中运行,由专门的内核线程在CPU中执行其任务ring 3:用户态,在应用程序中运行,由用户线程在CPU中执行其任务
linux系统中所有对硬件资源的操作都必须在内核态状态下执行,比如IO的读写,网络的操作
区别
1,用户态的代码必须由用户线程去执行,内核态的代码必须由内核线程去执行
2,用户态,内核态 或者说 用户线程,内核线程 可以使用的资源是不同的,尤其体现在内存资源上,linux内核对每一个进程都会分配4G虚拟内存空间地址用户态: -->只能操作0~3G的内存地址
内核态: -->0~4G的内存地址都可以操作,尤其是对3~4G的高位地址必须由内核态去操作,因为所有进程的3~4G的高位地址使用的都是同一块,专门留给系统内核使用的1G物理地址
3,所有对硬件资源,系统内核数据的访问都必须由内核态去执行
如何切换内核态
通过软件中断
软件中断与硬件中断
软件中断
软件中断是由软件程序触发的中断,如系统调用,软中断,异常等,软件中断不是由硬件设备触发的,而是由软件程序主动发起的,一般用于系统调用,进程切换,异常处理等事务,软件中断需要在程序中进行调用,其响应速度和实时性相对较差,但是具有灵活性和可控性高的特点
如程序中出现的内存溢出,数据下标越界等
硬件中断硬件中断是由硬件设备触发的中断,如时钟中断,串口接收中断,外部中断等,当硬件设备有数据或事件需要处理时,会向CPU发送一个中断请求,CPU在收到中断请求后,会立即暂停当前正在执行的任务,进入中断处理程序中处理中断请求,硬件中断具有实时性强,可靠性高,处理速度快等特点
系统调用与库函数的关系
文件描述符
文件描述符是一个非负整数,表示已打开的文件
每一个进程都会创建一张文件描述符表,记录的是当前进程打开的所有文件描述符
每一个进程默认打开三个文件描述符
0(标准输入设备)
1(标准输出设备printf)
2(标准错误输入设备perror)
新打开的文件描述符为最小可用的文件描述符
扩展
ulimit是一个计算机命令,用于shell启动进程所占用的资源,可修改系统资源限制,使用ulimit命令用于临时修改资源限制,如果需要永久修改需要将设置写入配置文件/etc/security/limits.conf
ulimit -a 查看open files 打开的文件最大数
ulimit -n 最大数 设置open files打开文件最大数
文件磁盘权限
第一位说的是文件或文件夹
2~4位说明所有者权限
5~7位说明同组用户权限
8~10位说明其他用户权限
r 4w 2
x 1
只读 4只写 2
只执行 1
可读可写 6
可读可执行 5
可读可写可执行 7
系统调用之文件操作
open:打开文件
所需头文件
#include <sys/types>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
函数:
int open(const char *pathname,int flags);
int open(const char *pathname,int flags,mode_t mode);
参数:
pathname:打开的文件地址
flags:代码操作文件的权限
必选项
O_RDONLY 以只读的方式打开
O_WRONLY 以只写方式打开
O_RDWR 以可读可写的方式打开
可选项
O_CREAT 文件不存在则创建,使用此选项时需要使用mode说明文件的权限
O_EXCL 如果同时指定了O_CREAT,且文件已经存在,则打开,如果文件不存在则新建
mode:文件在磁盘中的权限
格式:
0ddd
d的取值:4(可读),2(可写),1(可执行)
第一个d:所有者权限
第二个d:同组用户权限
第三个d:其他用户权限
如果需要可读可写就是6,可读可执行就是5等
如:
0666:所有者可读可写,同组用户可读可写,其他用户可读可写
0765:所有者可读可写可执行,同组用户可读可写,其他用户可读可执行
返回值:
成功:得到最小可用的文件描述符
失败:-1
注意:
操作已有文件使用两参
新建文件使用三参
close:关闭文件
所需头文件
#include<unistd.h>
函数
int close(int fd);
参数
关闭的文件描述符
返回值
成功:0
失败:-1,并设置errno
write:写入
所需头文件
#include<unistd.h>
函数
ssize_t write(int fd,const void *buf,size_t count);
参数
fd:写入的文件描述符
buf:写入的内容首地址
count:写入的长度,单位字节
返回值
成功:返回写入的内容的长度,单位字节
失败:-1
read:读取
所需头文件:
#include<unistd.h>
函数:
ssize_t read(int fd,void *buf,size_t count);
参数:
fd:文件描述符
buf:内存首地址
count:读取的字节个数
返回值:
成功:实际读取到的字节个数
失败:-1
fcntl函数
作用:针对已经存在的文件描述符设置阻塞状态
语法:
所需头文件
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
函数:
int fcntl(int fd,int cmd,.../*arg*/);
功能:
改变已打开文件性质,fcntl针对描述符提供控制
参数:
fd:操作的文件描述符
cmd:操作模式
arg:针对cmd的值,fcntl能够接受第三个参数 int arg
返回值:
成功:返回某个其他值
失败:-1
fcntl函数有5种功能:1)复制一个现有的描述符(cmd=F_DUPFD)
2)获得/设置文件描述符标记(cmd=F_GEDFD 或 F_SETFD)
3)获得/设置文件状态标记(cmd=F_GETOWN 或 F_SETFL)
4)获得/设置异步I/O所有权(CMD=F_GETOWN 或 F_SETOWN)
5)获得/设置记录锁(cmd=FGETLK,F_SETLK 或F_SETLKW)
stat函数
作用:
获取文件状态信息
所需头文件:
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat>
#incldue <unistd.h>
函数:
int stat(const char *path,struct stat *buf);
int lstat(const char *pathname,struct stat *buf);
参数:
参1:文件地址
参2:保存文件信息的结构体
返回值:
0:成功
-1:失败
注意:
当文件是一个符号链接时
lstat返回的是该符号链接本身的信息
stat返回的是该链接指向的文件的信息
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 1uid_t st_uid; //用户 IDgid_t st_gid; //组 IDdev_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 )};
st_mode的值
文件夹操作
opendir
作用:打开目录opendir
所属头文件:
#include<sys/types.h>
#include<dirent.h>
函数:
DIR *opendir(const char *name);
参数:
name:目录名
返回值:
成功:返回指向该目录结构体指针(DIR *)
失败:NULL
DIR:中文名称句柄,其实就是目录的结构体指针
closedir
作用:关闭目录closedir
所需头文件
#include<sys/types.h>
#include<dirent.h>
函数:
int closedir(DIR *dirp);
参数:
dirp:opendir 返回的指针
返回值:
成功:0
失败:-1
readdir
作用:读取目录readdir
所需头文件
#include <dirent.h>
函数:
dirp:opendir的返回值
返回值:
成功:目录结构体指针
失败:NULL
注意:一次读取一个文件
相关结构体:
struct dirent
{ino_t d_ino; // 此目录进入点的 inodeoff_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_type 所指的文件类型char d_name[256]; // 文件名};d_type说明 :DT_BLK这是一个块设备。( 块设备如 : 磁盘 )DT_CHR这是一个字符设备。( 字符设备如 : 键盘 , 打印机 )DT_DIR这是一个目录。DT_FIFO这是一个命名管道（FIFO ）。DT_LNK这是一个符号链接。DT_REG这是一个常规文件。DT_SOCK这是一个UNIX 域套接字。DT_UNKNOWN文件类型未知。