Linux系统编程概述

1 系统编程概念

操作系统的主要任务是什么？

计算机用户与计算机操作系统的交互类似于银行客户与银行的交互。对应关系如下：计算机硬件—金库，操作系统—银行，系统接口—办事窗口，计算机程序—银行客户。类比银行通过办事窗口向客户提供服务，操作系统通过系统接口向用户提供服务。

为什么要有操作系统呢？如果大家都能直接操作硬件，将会导致数据混乱不安全，同时也会提高使用计算机的难度。操作系统本质上也是一个软件（系统软件），它能够充分组织利用计算机的各种硬件资源（CPU、内存、硬盘、网络等），使资源利用效率最大化。操作系统的设计者为普通用户提供了一些方便使用的接口（系统调用），用户可以通过这些接口编写计算机程序高效利用计算机硬件，以实现特定的功能；类似于银行办事窗口的存取款业务，只要用户提供特定的信息，如身份证信息、存取款信息，银行便会借助金库为客户实现存取款功能。

总之，操作系统的主要任务就是为用户提供方便使用、功能强大的服务。

什么是系统编程？

系统编程就是利用操作系统提供的系统调用（system call，即所谓的接口、函数）进行编程，以达到操作各种计算机硬件资源（如磁盘、终端、网络等）的目的。

计算机开机时，首先运行一段名为boot loader的小程序，其主要功能是检查各种硬件，为操作系统内核的运行提供正确的环境。随后，计算机将操作系统内核加载到内存中（内核空间），这也是计算机一开机便会被占用一部分内存的原因。内存中除内核空间之外的空间叫做用户空间，主要运行用户程序等。系统编程主要研究操作系统提供的系统调用，包括系统调用的分类、功能、调用方法等，同时还要掌握系统调用的原理。

2 系统编程特点

• 无法跨平台（OS）。类比于不同银行内部的运作机制大同小异，不同操作系统底层运行的机制也会有所差别，其向用户提供的系统调用也各有千秋，如 Linux 和 Windows 都有自己独特的系统调用，调用方法、功能也不一样。

• 速度慢。用户空间到内核空间的切换需要时间，所以系统编程本身并不高效。

• 更加底层，接口更复杂。系统调用的功能十分强大、可操作性高，但是使用起来极其复杂。

  调用 Glibc 库时，库文件和函数原型为：

#include 
FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

       进行系统调用时，库文件和函数原型为：

#include 
#include 
#include 
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

3 Linux系统编程内容

• 文件I/O，缓冲I/O
  • 文件的打开、关闭、读写
  • 阻塞与非阻塞IO
  • 同步IO
  • 内核内幕：虚拟文件系统
  • 标准I/O
  • 流的打开、关闭与读写
  • 控制缓冲
  • 线程安全：对文件加锁
• 多进程编程（进程：正在运行的程序）
  • 进程体系：进程ID、父子进程关系
  • 运行新的进程：fork、exec
  • 终止进程
  • 等待子进程推出
  • 特殊进程：僵尸进程、孤儿进程、守护进程
• 高级进程管理
  • 进程调度
  • 完全公平调度算法
  • 实时系统的原理与实现
• 进程间通信IPC
  • 基于文件的简单进程间通信
  • 共享内存：互斥锁、条件变量
  • 管道：匿名管道与命名管道（理解为用管子将两个进程连接起来，将一个进程的输出作为另一个进程的输入）
  • 共享存储映射
  • 消息队列
  • 信号量
  • 套接字
• 多线程编程
  • 线程与进程的对比（一个进程的生命周期类似于一个人的一生，多线程即一个进程同时处理多个任务，类似于一个人同时做多件事情）
  • 线程模型
  • 线程API
  • 线程模式
    • 一个连接对应一个线程
    • 事件驱动
  • 并发、并行与竞争
  • 同步：互斥与死锁
• 线程池的实现
• 信号
  • 基本信号管理
  • 发送信号
  • 信号集
  • 高级信号管理
• 时间
  • 时间的表示
  • 睡眠与等待
  • 定时器
• 终端IO编程
  • 终端驱动程序的模式
  • ncurses库的使用

4 网络编程内容

• 计算机网络知识补充
  • 计算机网络概论
  • 应用层协议
  • 传输层协议：TCP与UDP
  • 网络层协议、数据链路层协议
• TCP网络通信剖析
  • 三次握手与四次挥手
  • TCP流量控制
  • TCP拥塞避免
  • TCP状态转换
• socket网络编程接口
  • socket的创建与关闭
  • Server端：bind、listen、accept
  • Client端：connect
  • 数据的发送与接收：send、recv
• UDP编程实现
  • 在UDP中使用connect
• 基于CS模型的TCP客户端与服务端设计与实现
• P2P模型网络服务的实现
• HTTP与BS模型
• 简单的网络并发模型
• 基于多进程与多线程
  • 简单的IO多路复用机制