Linux下C编程实战

传统的UNIX下的程序开发语言是C语言，C语言是一种平台适应性强、易于移植的语言。

Linux下的C语言编程环境

Linux是用C语言写成的，反过来，Linux又为C语言提供了很好的支持，C语言编译工具gcc、调试工具gdb属于最早开发出来的一批自由软件。因此，Linux与C语言形成了完美的结合，为用户提供了一个强大的编程环境。

Linux为软件开发者提供了强大的C语言开发环境和丰富的开发维护工具，熟悉并掌握这些工具是进行Linux平台软件开发的必要条件。

编辑工具：Linux系统提供了许多文本编辑程序，比较常用的有vi和emacs等。此外，Ubuntu还自带了gedit等编辑器，它们都可以用来编辑C语言源程序。
编译工具：Linux带有功能强大的符合ANSI C语言标准的编译系统gcc，利用gcc可以编译C/C++语言源程序。
调试工具：利用Linux带的调试工具gdb，可以调试C语言程序。
维护工具：make程序可以对程序源文件进行有效的管理。如果读者在Windows系统中对集成开发环境（IDE）做过开发，则一定不会对IDE感到陌生。在Linux下也有许多IDE可以用来开发C语言程序，如CodeBlocks、CodeLite、Anjuta、Eclipse等。其中，CodeBlocks、CodeLite与Windows系统中的Visual Studio界面非常类似，比较容易上手。

Linux下的文件编程

文件系统是现代操作系统中重要的组成部分之一。文件系统是指按一定规律组织起来的有序的文件组织结构，是构成系统中所有数据的基础。系统中的所有文件都是驻留在文件系统中某一特定的位置的。Linux提供的文件系统是树形的层次结构系统。所有文件最终都归结到根目录“/”。Linux支持多种文件系统，当前最通用的文件系统是ext4系统。

每种文件系统类型存储数据的基本格式都是不一样的。但是，在Linux下访问任何文件系统时，系统都把数据整理成一个目录树下的文件，并包括文件的属主和组ID、保护位，以及其他特征。事实上，属主、保护等信息只有那些能存储Linux文件的文件系统类型才能提供。对于没有存储这些信息的文件系统类型，用来访问这些文件系统的内核驱动程序会“伪造”这些信息。例如，MS-DOS文件系统没有文件属主的概念，但所有文件都显示成属主是root。用这种方法，在一定层次上，所有文件系统都很相似，每个文件都有一定的属性。至于这些文件属性是否真的在文件系统底层被使用，就是另外一回事了。

文件描述符

C语言的标准I/O库中的库函数，如fopen、fclose、fread、fwrite等，提供的是高层服务；而Linux的文件I/O调用提供的是底层的服务，底层的服务不提供缓冲而直接进入操作系统。标准I/O库中的高层服务归根到底还是要调用Linux所提供的底层服务。

基本文件I/O操作

本节将详细讲述普通文件的基本输入和输出操作，包括建立文件（Create）、打开文件（Open）、文件的写操作（Write）、文件的读操作（Read）、关闭一个打开的文件（Close）、设置文件读/写指针位置（Lseek）等。

open函数

调用open函数可以打开或创建一个文件，open是进程存取一个文件中的数据必须首先完成的系统调用。open函数的格式如下：

进程管理

介绍Linux下基于进程的系统调用，包括创建进程、使进程等待、结束进程、改变进程执行映像、改变进程执行的优先级等。

进程的创建

创建一个新进程的唯一方法是由某个已存在的进程调用fork或vfork函数，被创建的新进程称为子进程，已存在的进程称为父进程。当然，某些特殊进程并不需要通过这种方法来创建，如swapper进程、initt进程等，它们是作为系统启动的一部分而被内核创建的。

fork函数 fork函数是用来创建子进程的函数，具体调用如下：
```
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
pid_t fork();
```
fork函数没有参数，它是一个单调用双返回的函数。具体地说，某个进程调用此函数后，若创建子进程成功，则这个函数在父进程中的返回值是创建的子进程的进程标识号，而在子进程中的返回值为零，否则（创建不成功）返回-1。每个进程可以有许多子进程，但没有哪个函数调用是用来将子进程的进程标识号返回给父进程的，而每个进程至多有一个父进程，利用getppid函数可以得到父进程的进程标识号。因此，fork函数将子进程的进程标识号返回给了父进程，父进程利用此进程标识号与子进程取得联系，而统一给子进程返回零。

子进程是父进程的一个复制。具体说，子进程从父进程那里得到了数据段和堆栈段的复制，这些需要分配新的内存，而不是与父进程共享内存。对于只读的代码段，一般情况下，是使用共享内存的方式访问的。fork函数返回后，子进程和父进程一样，都是从调用fork函数的语句的下一条开始执行。

因为创建子进程之后常常伴随着exec的调用，现行的许多实现机制实际上并不采用上述方法，将父进程的所有数据、堆、栈全都复制下来，而是使用一种“写时复制（COW）”的技术。父进程和子进程共享数据和堆栈区域，但是内核将它们都设置为只读权限。当任一进程要修改这些区域时，再生成该块内存的复制，通常是虚存的一页。

线程管理

典型的线程包含一个运行时间系统，它可以按透明的方式来管理线程。通常线程包括对线程创建和删除，以及对互斥和条件变量的调用。POSIX标准线程库具有这些调用。这些线程包还提供线程的动态创建和删除，因此，直到运行时间之前，线程的个数不必知道。

线程具有一个ID、一个堆栈、一个执行优先权，以及执行的开始地址，POSIX线程通过pthread_t类型的ID来引用。pthread_t其实就是无符号长整数，在文件/usr/include/bit/pthreadtypes.h中有如下的定义：

typedef unsigned long int pthread_t;

线程的内部数据结构也包含调度和使用信息。进程的线程共享进程的完整地址空间，它们能够修改全局变量，访问打开的文件描述符，或用别的方式相互作用。

创建线程和结束线程

如果线程可在进程的执行期间的任意时刻被创建，并且线程的数量事先没有必要指定，这样的线程称为动态线程。在POSIX中，线程是用pthread_create动态地创建的。pthread_create能创建线程，并将它放入就绪队列。该函数的定义如下：

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void*(*start_routine)(void *),void *arg);

pthread_create创建一个线程，这个线程与创建它的线程同步执行。新创建的线程将执行函数start_routine，这个函数的参数由指针arg指定。这个线程可以通过pthread_exit来终止，或者当函数start_routine返回时自然终止。参数attr指定新线程的属性。将在讲述pthread_attr_init时具体介绍这个参数。参数attr可以为NULL，此时将使用默认的属性，即使用最小的堆栈空间，也使用通常的调度策略等。

与创建进程的系统调用fork不同的是，用pthread_create创建的线程并不是与父进程在同一点开始运行，而是从pthread_create指定的函数开始运行。这一点很明显，因为如果线程也像子进程一样与父进程从同一点开始运行，那么将有多个线程使用同一资源。正如前面讲过的，每一个进程都有自己的地址空间和资源，而多个线程要使用一个地址空间和资源。

如果执行成功，那么将返回0，并将新创建线程的标识符存放在由指针thread指向的地址。如果执行失败，那么将返回一个非零值。

在创建线程后，可以调用pthread_self函数得到线程的ID，该函数的定义如下：

#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);

要结束一个线程，需要调用函数pthread_exit。它的原型如下：

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void* retval);

此函数用于结束一个线程。它将调用用户为线程注册的清除处理函数，然后结束当前线程，返回值为retval。这个函数在线程的中途退出时有用。

函数pthread_exit在成功调用时，返回0，失败时返回-1。

挂起线程

可以使用如下函数将一个线程挂起：

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t th,void **thread_return)；

此函数用于挂起当前线程直至指定线程终止。参数th是一个线程标识符，用于指定要等待其终止的线程。参数thread_return用于存放其他线程的返回值。对于每一个可连接的线程都必须调用该函数一次。任何线程都不能对相同的线程调用此函数。

如果执行成功，那么参数th的返回值将保存在由参数thread_return指向的地址中，函数返回0，否则，返回一个非0值。

线程同步

当在同一内存空间运行多个线程时，要注意一个基本的问题就是不要让线程之间互相破坏。例如，两个线程要更新两个变量的值。一个线程要把两个变量的值都设成0；另一个线程要把两个变量的值都设成1。如果两个线程同时要做这件事情，结果可能是，一个变量的值是0；另一个变量的值是1。这是因为正好在第1个线程把第1个变量设为0后，运行环境切换，第2个线程将把两个变量都设成1，然后运行环境再切换，第1个线程恢复运行，把第2个变量设成0。结果就是，一个变量的值是0；另一个变量的值是l。

按照POSIX标准，POSIX提供了两种类型的同步机制，它们是互斥锁（Mutex）和条件变量（condition Variable）。互斥锁是一个简单的锁定命令，它可以用来锁定对共享资源的访问。对于线程来说，整个地址空间都是共享的资源，所以线程的任何资源都是共享的资源。互斥锁的特点如下所述。

原子性：把一个互斥锁定为一个原子操作，这意味着操作系统（或pthread函数库）保证了如果一个线程锁定了一个互斥锁，没有其他线程在同一时间可以成功锁定这个互斥锁。
唯一性：如果一个线程锁定了一个互斥锁，在它解除锁定之前，没有其他线程可以锁定这个互斥量。
非繁忙等待：如果一个线程已经锁定了一个互斥锁，第2个线程又试图去锁定这个互斥锁，则第2个线程将被挂起（不占用任何CPIJ资源），直到第1个线程解除对这个互斥锁的锁定为止，第2个线程则被唤醒并继续执行，同时锁定这个互斥锁。

下面几个函数是处理互斥锁时常用的几个函数。

取消线程和取消处理程序

用户可以调用函数来取消一个线程。相应的函数说明如下。但要注意这种操作不是用于取消当前线程，而是当前线程调用函数来取消另一个线程。

Linux的线程库中用于取消线程的几个函数如下：

#include <pthread.h>

Linux允许一个线程终止另外一个线程的执行，即一个线程可以向另外一个线程发出一个终止请求。根据不同的设置，接收到这个终止请求的线程可以忽略这个请求，也可以立即终止或者延长一段时间后终止。

当一个线程最终响应终止请求时，它所执行的操作与调用pthread_exit函数时一样，即调用每一个cleanup处理程序，然后调用与线程相关的数据处理程序，最后线程终止执行。

函数pthread_cancel发送一个终止请求到由参数thread指定的线程。调用成功时，返回值为0，调用失败时，返回错误代码。
函数pthread_setcancelstate用于设置调用函数的线程自身的状态。参数state是要设置的新的状态。参数oldstate是指向存放要设置的状态的缓冲区的指针。调用成功时，返回值为0，调用失败时，返回错误代码。
函数pthread_setcanceltype用于设置对取消的响应方式。响应方式有两种。PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS：立刻取消；PTHREAD_CANCEL_DEFERRED：延迟取消至取消点。参数type是要设置的新的方式。参数oldtype是指向存放要设置的方式的缓冲区的指针。调用成功时，返回值为0，调用失败时，返回错误代码。
函数ptbread_testcancel用于设置取消点。如果延迟取消请求挂起，那么此函数将取消当前进程。线程终止后，要做一些清理工作，Linux线程库提供了相应的处理函数。

线程特定数据的处理函数

因为一个进程中的线程要共享同一个地址空间，那么在这个共享空间中，所有的变量都将为所有的线程所公用。如果要使用某些一个线程特定的变量，该如何处理呢？下面先介绍一下线程特定数据的处理函数，然后通过一个例子来说明这些函数的使用方法。

pthread_key_create函数函数原型如下：
```
#include <pthread.h>
int pthread_key_create(pthread_key_t *key, void (*destructor)(void*));
```
函数pthread_key_create创建一个对进程中的所有线程都可见的关键字。这个关键字可以通过函数pthread_setspecific和pthread_getspecific来读取和设置。

当创建一个关键字时，进程中的所有线程的这个关键字的值都为NULL，当创建一个线程时，这个线程的所有的关键字的值都为NULL。如果pthread_key_create执行成功，则返回0，并在参数key中保存新创建的关键字的ID。其他的值意味着错误。

pthread_key_delete函数函数原型如下： ```shell

函数pthread_key_delete清除由参数key指定关键字。 如果pthread_key_delete执行成功，则返回0。其他的值意味着错误。

- pthread_setspecific函数

函数原型如下：
```shell

函数pthread_setspecific指定由参数pointer指定的指针指向由参数key指定关键字。每一个线程都有一个互相独立的指针，这个指针指向一个特定的关键字。

如果pthread_setspecific执行成功，将返回0。其他值意味着错误。

线程属性

每个POSIX线程有一个相连的属性对象来表示特性。线程的属性对象能与多个线程相连，POSIX具有创建、配置和删除属性对象的函数。线程可以分组，并将相同属性与组中所有成员相连。当属性对象的一个特性改变时，组中所有实体具有新的特性。线程属性对象的类型是pthread_attr_t，pthread_attr_t在文件/usr/include/bits/pthreadtypes.h中被定义，给出它的定义如下：

网络编程

套接字网络编程

面向连接的套接字工作过程是，服务器首先启动，通过调用socket函数建立一个套接字，然后调用bind将该套接字和本地网络地址联系在一起，再调用listen使套接字做好侦听的准备，并规定它的请求队列的长度，之后就调用accept来接收连接。客户在建立套接字后就可调用connect和服务器建立连接。连接一旦建立，客户机和服务器之间就可以通过调用read和write来发送和接收效据。最后，待数据传送结束后，双方调用close关闭套接字。

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