Linux 應用編程基本概念

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Linux 應用編程涉及到在 Linux 環境下開發和運行應用程序的一系列概念。以下是一些涵蓋 Linux 應用編程的基本概念：

1. 系統調用

系統調用是用戶空間程序與內核之間進行通信的方式。它提供了一組接口，允許應用程序請求內核執行特權操作。在 Linux 中，系統調用的例子包括fork（創建新進程）、read（讀取文件）、write（寫入文件）等。開發者通常通過系統調用接口來訪問操作系統提供的功能。

#include <unistd.h>

int main() {
    char buffer[256];
    read(STDIN_FILENO, buffer, sizeof(buffer));
    write(STDOUT_FILENO, buffer, sizeof(buffer));
    return 0;
}

2. 進程

在 Linux 中，進程是正在運行的程序的實例。每個進程都有獨立的內存空間、文件描述符和執行上下文。fork系統調用用於創建新進程。exec系列系統調用用於在進程中執行新程序。

#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main() {
    pid_t child_pid = fork();
    if (child_pid == 0) {
        // 子進程執行的代碼
        execl("/bin/ls", "ls", NULL);
    } else {
        // 等待子進程結束
        waitpid(child_pid, NULL, 0);
    }
    return 0;
}

3. 文件描述符

文件描述符是一個整數，用於標識一個打開的文件、套接字或其他 I/O 資源。標準輸入、標準輸出和標準錯誤的文件描述符分別是 0、1 和 2。文件描述符的操作包括讀、寫、關閉等。

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);
    write(fd, "Hello, Linux!", 13);
    close(fd);
    return 0;
}

4. 線程

Linux 支持多線程編程。線程是一個輕量級的執行單元，可以與同一進程的其他線程共享內存空間。線程可以通過pthread庫創建和管理。

#include <pthread.h>
#include <iostream>

void* threadFunction(void* arg) {
    std::cout << "Hello from thread!" << std::endl;
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, threadFunction, NULL);
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

5. 進程間通信（IPC）

進程間通信是指不同進程之間進行數據交換的機制。Linux 提供多種 IPC 機制，包括管道、消息隊列、共享內存和信號等。這些機制允許進程之間進行數據共享和通信。

6. 信號

信號是一種在軟件層次上處理異步事件的機制。它允許進程在運行時接收通知，例如用戶按下 Ctrl+C 終止進程。signal函數和kill命令用於處理和發送信號。

#include <csignal>
#include <iostream>

void signalHandler(int signum) {
    std::cout << "Received signal: " << signum << std::endl;
}

int main() {
    signal(SIGINT, signalHandler);  // 註冊信號處理函數
    while (1) {
        // 程序執行主循環
    }
    return 0;
}

7. 動態鏈接庫

Linux 支持動態鏈接庫（共享庫）的概念，允許程序在運行時動態加載和卸載共享庫。這有助於減小可執行文件的大小，共享代碼，提高代碼的可重用性。

#include <dlfcn.h>
#include <iostream>

int main() {
    void* handle = dlopen("libexample.so", RTLD_NOW);
    if (handle) {
        typedef void (*ExampleFunction)();
        ExampleFunction function = (ExampleFunction)dlsym(handle, "exampleFunction");
        if (function) {
            function();
        }
        dlclose(handle);
    }
    return 0;
}

8. 文件系統操作

Linux 應用編程涉及對文件系統的各種操作，例如創建、讀取、寫入、刪除文件，以及目錄操作。系統調用和標準 C 庫提供了相關的函數，例如open、read、write、unlink等。

這些概念構成了 Linux 應用程序開發的基礎，開發者可以通過這些機制實現複雜的應用程序和系統工具。掌握這些概念對於在 Linux 環境下進行應用編程至關重要。

9. Socket 編程

Socket 編程是 Linux 應用程序中常用的一種網絡編程方式。通過使用套接字（Socket），可以實現進程間的通信和網絡通信。常見的 Socket 編程包括創建套接字、綁定地址、監聽連接、接受連接、發送和接收數據等操作。

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>

int main() {
    // 創建套接字
    int serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 綁定地址
    sockaddr_in serverAddress;
    serverAddress.sin_family = AF_INET;
    serverAddress.sin_port = htons(8080);
    serverAddress.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    bind(serverSocket, (struct sockaddr*)&serverAddress, sizeof(serverAddress));

    // 監聽連接
    listen(serverSocket, 5);

    // 接受連接
    int clientSocket = accept(serverSocket, NULL, NULL);

    // 發送和接收數據
    char buffer[256];
    read(clientSocket, buffer, sizeof(buffer));
    std::cout << "Received: " << buffer << std::endl;
    write(clientSocket, "Hello from server!", 18);

    // 關閉套接字
    close(clientSocket);
    close(serverSocket);

    return 0;
}

10. 多路複用（select 和 epoll）

多路複用是一種提高 I/O 操作效率的機制，它允許一個進程同時監視多個文件描述符。在 Linux 中，select 和 epoll 是常用的多路複用機制。它們可以用於處理多個套接字的併發事件，提高網絡應用程序的性能。

// 使用 select 示例
#include <sys/select.h>
#include <iostream>

int main() {
    fd_set readfds;
    FD_ZERO(&readfds);
    FD_SET(STDIN_FILENO, &readfds);

    struct timeval timeout;
    timeout.tv_sec = 5;
    timeout.tv_usec = 0;

    int result = select(STDIN_FILENO + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);

    if (result > 0 && FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds)) {
        std::cout << "Data is available to read from stdin." << std::endl;
    } else if (result == 0) {
        std::cout << "Timeout occurred." << std::endl;
    } else {
        std::cerr << "Error in select." << std::endl;
    }

    return 0;
}

11. 內存映射（mmap）

內存映射是將文件的一部分直接映射到進程的地址空間，使得文件可以像內存一樣被訪問。mmap 是 Linux 提供的用於內存映射的系統調用。

#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>

int main() {
    int fileDescriptor = open("example.txt", O_RDWR);
    off_t fileSize = lseek(fileDescriptor, 0, SEEK_END);

    void* mappedMemory = mmap(NULL, fileSize, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fileDescriptor, 0);
    close(fileDescriptor);

    // 對映射的內存進行讀寫操作
    char* data = static_cast<char*>(mappedMemory);
    data[0] = 'H';
    data[1] = 'i';

    // 解除內存映射
    munmap(mappedMemory, fileSize);

    return 0;
}

12. 定時器

Linux 提供了多種定時器機制，允許應用程序執行定時任務。setitimer 是其中之一，它允許設置定時器來在指定的時間間隔內定期觸發信號。

#include <sys/time.h>
#include <csignal>
#include <iostream>

void timerHandler(int signum) {
    std::cout << "Timer expired! Signal number: " << signum << std::endl;
}

int main() {
    struct itimerval timer;
    timer.it_value.tv_sec = 2;
    timer.it_value.tv_usec = 0;
    timer.it_interval.tv_sec = 1;
    timer.it_interval.tv_usec = 0;

    signal(SIGALRM, timerHandler);

    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);

    while (1) {
        // 主循環
    }

    return 0;
}

這些概念覆蓋了 Linux 應用編程的多個方面，包括文件 I/O、網絡編程、進程控制、多路複用、內存映射、定時器等。深入瞭解這些概念將幫助開發者編寫高效且功能強大的 Linux 應用程序。

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/cG6keuutfcjP-3XMzfd_cQ

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