Linux编程技术详解
Linux编程不仅仅是“在Linux上写代码”，它指的是利用Linux操作系统的内核特性和用户空间工具集来构建高效、稳定、功能强大的应用程序,这通常意味着与操作系统内核进行深度交互。
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第一部分：核心基础
在深入编程之前,必须理解Linux系统的核心概念。
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一切皆文件
- 这是Linux设计的哲学基石，普通文件、目录、设备（硬盘、键盘、显示器）、管道、套接字等,在内核中都通过文件描述符来表示。
- 优点：统一的接口使得对它们的操作（如读、写、关闭）都使用相同的系统调用（
read,write,close）,大大简化了编程模型。
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进程
- 定义：程序的一个执行实例，拥有独立的内存空间、文件描述符表、进程ID等。
- 进程状态：运行、就绪、阻塞、僵尸、停止。
- 进程树：所有进程都由
init（或现在的systemd）进程派生而来，形成父子关系，可以通过ps、top、htop等命令查看。
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系统调用
（图片来源网络，侵删）- 定义：用户程序请求内核服务的唯一接口，它是一种软中断,会从用户态切换到内核态执行。
- 常见类别：
- 进程控制：
fork,exec,exit,wait,clone - 文件操作：
open,read,write,lseek,close,stat - 内存管理：
brk,mmap - 信号处理：
signal,kill - 进程间通信：
pipe,shmget,msgget
- 进程控制：
- 查看：
man 2 <syscall_name>(man 2 open)
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标准I/O、标准输入/输出/错误
- 每个进程默认打开三个文件描述符：
STDIN_FILENO(0): 标准输入,默认来自键盘。STDOUT_FILENO(1): 标准输出,默认显示到终端。STDERR_FILENO(2): 标准错误,默认也显示到终端。
- 这是命令行工具能够通过管道和重定向
>、<无缝协作的基础。
- 每个进程默认打开三个文件描述符：
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权限与用户
- Linux是多用户系统，文件和进程都有所有者和权限（读r、写w、执行x）。
- 用户/组：
uid(用户ID),gid(组ID)。root用户拥有最高权限。 - SUID/SGID位：特殊权限位，允许用户以文件所有者的权限执行文件（SUID）或以文件所属组的权限执行（SGID）。
第二部分：核心编程语言与工具
虽然任何能在Linux上编译的语言都可以用来编程，但C语言是Linux系统的“母语”，提供了最直接、最高效的访问内核能力的方式。
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C语言
（图片来源网络，侵删）- 为什么是C？
- 系统级编程：直接操作内存、指针,与内核API无缝对接。
- 性能：编译为机器码,运行效率极高。
- 标准库：GNU C Library (glibc) 提供了丰富的系统调用和标准C库函数的封装。
- 关键概念：
- 指针：理解指针是掌握C和Linux编程的核心。
- 内存管理：
malloc/free,calloc,realloc,必须小心内存泄漏和悬垂指针。 - 头文件：
<unistd.h>(POSIX标准),<sys/types.h>,<sys/stat.h>,<fcntl.h>,<dirent.h>等包含了系统调用和结构体的定义。
- 为什么是C？
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构建工具
- GCC (GNU Compiler Collection)：C/C++/Objective-C等语言的编译器。
- 基本用法：
gcc -o my_program my_source.c - 常用选项：
-g：生成调试信息,用于GDB。-O0/-O1/-O2/-O3：优化级别。-Wall：开启所有常见警告。-static：静态链接。-shared：生成共享库。
- 基本用法：
- Make & Makefile：自动化编译大型项目的工具。
- 通过定义规则（目标和依赖关系）来决定哪些文件需要重新编译。
- 一个典型的
Makefile包含变量、规则和伪目标。
- CMake：更现代、跨平台的构建系统。
- 使用
CMakeLists.txt文件描述项目结构，然后生成特定平台的构建文件（如Makefile或Visual Studio项目）。
- 使用
- GCC (GNU Compiler Collection)：C/C++/Objective-C等语言的编译器。
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调试工具
- GDB (GNU Debugger)：强大的命令行调试器。
- 功能：设置断点、单步执行、查看变量内存、调用栈分析。
- 基本命令：
break,run,next,step,print,info。
- Valgrind：内存调试工具。
- Memcheck：检测内存泄漏、非法内存访问、使用未初始化的内存等。
- Callgrind：分析程序性能热点。
- strace：跟踪进程的系统调用和信号。
strace -o trace.txt ./my_program：将所有系统调用记录到trace.txt。
- ltrace：跟踪进程调用的动态库函数。
- GDB (GNU Debugger)：强大的命令行调试器。
第三部分：核心编程主题
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文件与I/O编程
- 系统调用层面：
open(): 打开或创建文件,返回文件描述符。read(): 从文件描述符读取数据。write(): 向文件描述符写入数据。lseek(): 移动文件读写指针。close(): 关闭文件描述符。stat() / fstat() / lstat(): 获取文件元数据（大小、权限、时间等）。
- 标准I/O库层面：
fopen(),fclose(),fread(),fwrite(),fseek(),fprintf(),fscanf()。- 标准I/O库是对系统调用的封装，提供了缓冲机制，效率更高,更易于使用。
- 系统调用层面：
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进程控制
fork(): 创建一个子进程，子进程是父进程的完整副本，它会返回两次：在父进程中返回子进程的PID（>0）,在子进程中返回0。exec()系列 (execl,execv,execle,execve等)：用一个新的程序替换当前进程的映像，通常与fork结合使用，实现“创建-执行”模式。wait()/waitpid(): 父进程调用以等待子进程结束，并回收其资源,避免僵尸进程。exit(): 终止当前进程。- 示例：实现一个简单的Shell，循环读取用户输入，
fork子进程，子进程exec执行命令，父进程wait等待。
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进程间通信
- 管道：
- 匿名管道：只能在有亲缘关系的进程间使用,是一个半双工的数据流。
- 命名管道：存在于文件系统中,无亲缘关系的进程也可以通过路径名访问。
- 信号：
- Linux中的异步通信机制，例如
SIGINT(Ctrl+C),SIGKILL,SIGCHLD（子状态改变）。 - 使用
signal()或sigaction()函数注册信号处理函数。
- Linux中的异步通信机制，例如
- System V IPC：
- 共享内存：最快的IPC方式，多个进程可以直接读写同一块内存区域，需要同步机制（如信号量）来防止冲突。
- 信号量：用于进程间同步,控制对共享资源的访问。
- 消息队列：保存在内核中的消息链表，克服了信号承载信息量少、只能异步通信、缓冲区大小受限的缺点。
- 套接字：
- 最通用、最强大的IPC机制，不仅可用于同一主机内的进程通信,更支持网络通信。
- 域套接字：用于本地进程间通信。
- 管道：
