linux app(3)

基础编程规范

命令行参数处理

下面这行代码通常在程序的“帮助信息”或“用法提示”中出现，用于告诉用户如何正确运行程序。

printf("Usage: %s <file>\n", argv[0]);

• 参数占位符规范：

  • < > 表示必填参数（如 <file> 需替换为实际文件路径）
  • [ ] 表示可选参数（如 [options]）

• 示例执行流程：

  ./program /path/to/file  # 正确用法
  ./program                # 错误：缺少必要参数

系统手册（man）

手册章节结构

man（manual 的缩写）是 Linux/Unix 系统中用于查看命令、函数、配置文件等手册页的核心工具。

章节	内容类型	示例命令	典型内容
1	用户命令	man 1 ls	文件列表操作
2	系统调用	man 2 fork	进程创建机制
3	库函数	man 3 printf	格式化输出函数
4	设备文件	man 4 tty	终端设备接口
5	配置文件格式	man 5 passwd	用户账户文件结构
8	系统管理命令	man 8 ifconfig	网络接口配置

实用技巧

man -k keyword    # 搜索关键字相关手册
man -f command    # 显示命令的简短描述

文件描述符（File Descriptor）

分配机制

• 规则：返回当前进程未使用的最小整数
• 特殊描述符：
  • 0：标准输入（STDIN_FILENO）
  • 1：标准输出（STDOUT_FILENO)
  • 2：标准错误（STDERR_FILENO）

成功调用 open() 时，返回的文件描述符是当前进程 未使用的最小编号。最小编号分配策略：若当前打开的 fd 是 0、1、2、5，新分配的会是 3（因为 3 是未使用的最小整数）。

示例代码

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

int main() {
    int fd = open("data.txt", O_RDONLY);  // 典型返回3（假设0-2已被占用）
    char buffer[128];
    read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    close(fd);
    return 0;
}

设备控制（ioctl）

核心功能

Linux/Unix 系统中的一个设备控制函数，用于与设备驱动程序进行交互，执行无法通过标准文件操作（如 read/write）实现的特定操作。

ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &fb_info);

• 作用：与设备驱动交互的特殊操作
• 典型应用：
  • 获取帧缓冲设备信息（分辨率/色深）
  • 配置串口参数（波特率/数据位）
  • 控制摄像头参数（曝光/对焦）

参数解析

参数	作用
fd	设备文件描述符
cmd	设备特定命令（如FBIOGET_*）
arg	指向参数结构的指针

内存映射（mmap）

mmap（Memory Map，内存映射）是 Unix/Linux 系统提供的一种 将文件或设备直接映射到进程内存空间 的系统调用。它允许程序通过读写内存的方式操作文件或硬件资源，避免了频繁的 read/write 调用，从而提升性能。

系统调用原型

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

典型应用场景

1. 帧缓冲设备映射：

   unsigned char *fb = mmap(NULL, screen_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd_fb, 0);

2. 大文件高效IO：

   int fd = open("large_file.bin", O_RDONLY);
   void *data = mmap(NULL, file_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);

返回值：
成功：返回映射区域的起始地址（void * 类型，此处强制转换为 unsigned char *）。
失败：返回 MAP_FAILED（即 (void *) -1）。

参数详解

参数	可选值	说明
prot	PROT_READ/PROT_WRITE	内存页保护标志
flags	MAP_SHARED/MAP_PRIVATE	映射修改的可见性

进程管理

fork() 工作机制

用于创建一个与父进程几乎完全相同的子进程。

pid_t pid = fork();
switch(pid) {
    case -1: /* 错误处理 */ break;
    case 0:  /* 子进程代码 */ break;
    default: /* 父进程代码 */ break;
}

返回值：
成功时：
父进程：返回子进程的 PID（正整数）。
子进程：返回 0。
失败时：返回 -1（比如系统资源不足）。

fork() 的执行过程

父进程调用 fork() 后，内核会创建一个几乎完全相同的子进程：
代码段、数据段、堆栈、打开的文件描述符等都会被复制（但实际采用 “写时复制” (Copy-On-Write, COW) 优化）。
子进程从 fork() 返回处继续执行（而不是从头开始）。
父进程和子进程并行运行，谁先执行由调度器决定。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();  // 创建子进程

    if (pid == -1) {
        perror("fork failed");
        return -1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程代码
        printf("Child process (PID=%d), parent PID=%d\n", getpid(), getppid());
    } else {
        // 父进程代码
        printf("Parent process (PID=%d), child PID=%d\n", getpid(), pid);
    }

    return 0;
}

僵尸进程处理

signal(SIGCHLD, SIG_IGN); 是一个 信号处理设置，用于告诉操作系统内核：当前进程对子进程的终止状态不感兴趣，内核应自动清理子进程的残留资源（避免僵尸进程）。

signal(SIGCHLD, SIG_IGN);  // 自动回收子进程
// 或
while(waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);  // 非阻塞回收

网络编程（Socket）

套接字的核心作用

套接字（Socket）是 应用层与传输层之间的抽象接口，主要作用包括：

建立网络连接
作为通信的端点，支持不同主机（或同一主机）上的进程间数据传输。
例如：客户端与服务端的 TCP 连接、UDP 数据报发送。
协议封装
封装底层协议细节（如 TCP/IP 或 UDP/IP），开发者无需直接处理网络包的分组、校验、重传等。
多协议支持
通过参数指定协议族（如 IPv4/IPv6）、传输类型（如面向连接的 TCP 或无连接的 UDP）。

步骤	服务端（接电话的人）	客户端（打电话的人）	对应函数
1	准备通信设备（买一部手机）	准备通信设备（买一部手机）	socket()
2	绑定身份（插卡固定号码）	无需绑定（系统自动分配端口）	bind()（仅服务端）
3	等待连接（开机并等待来电）	主动发起连接（拨打对方号码）	listen() + accept()（服务端） connect()（客户端）
4	数据传输（接听电话后说话/听对方）	数据传输（接通后说话/听对方）	send() / recv()
5	挂断（挂断电话）	挂断（挂断电话）	close()

socket() 的底层工作

(1) 资源分配

创建套接字描述符

操作系统内核分配一个 文件描述符（类似打开文件时的 fd），用于唯一标识这个套接字。
例如：调用 int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 返回的 sockfd 可能是 3（假设当前进程已占用 0,1,2）。
内核数据结构初始化

内核为该套接字创建关键数据结构（不同系统实现不同，例如 Linux 的 struct socket）：

struct socket {
    int type;       // 如 SOCK_STREAM（TCP）或 SOCK_DGRAM（UDP）
    struct sock *sk; // 指向协议栈相关的核心结构（含缓冲区、状态等）
};

同时初始化关联的 发送缓冲区 和 接收缓冲区（用于临时存储待发送/接收的数据）。

(2) 协议栈绑定

确定通信协议
根据参数（如 SOCK_STREAM）绑定到 TCP/IP 协议栈，后续所有操作（如 connect()、send()）均通过协议栈处理。
如果是 UDP（SOCK_DGRAM），则绑定到无连接的协议栈。

(3) 设置默认属性

套接字初始化为 主动模式（可调用 connect() 发起连接，适用于客户端）。
默认是 阻塞模式（调用 recv() 等函数时，若数据未就绪，进程会休眠等待）。

线程编程

/tmp/ccQzThAV.o: In function `main': Pthread_Text3.c:(.text+0xa3): undefined reference to `pthread_create'

在Linux/Unix系统下进行多线程编程时，编译时需要显式链接-lpthread（即POSIX Threads库）

gcc -o thread_07 ./Pthread_Text7.c  -lpthread

相关函数

pthread_join() :

POSIX 线程（Pthreads）库中的一个核心函数，用于阻塞当前线程，等待指定的目标线程终止，并回收其资源。

pthread_cancel()：

POSIX 线程（Pthreads）库中的一个函数，用于请求取消（终止）指定的线程。它提供了一种协作式线程终止机制，允许一个线程向另一个线程发送取消请求，但实际终止的时机取决于目标线程的取消状态和类型。

核心作用
发送取消请求：向目标线程发送终止请求，但不会立即强制终止线程。
协作式终止：目标线程是否响应取消请求，取决于其取消状态（是否允许被取消）和取消类型（延迟或异步取消）。
资源清理：若线程响应取消请求，会执行清理函数（通过 pthread_cleanup_push 注册）后再终止。

pthread_mutex_t mutex

作用:声明一个互斥锁（mutex）变量，类型为 pthread_mutex_t。
pthread_mutex_lock(&mutex);
作用
尝试对互斥锁加锁：
如果锁未被其他线程持有，则当前线程成功获取锁，继续执行。
如果锁已被其他线程持有，则当前线程阻塞，直到锁被释放。

pthread_mutex_unlock(&mutex);

作用
释放已持有的互斥锁，允许其他线程获取该锁。

ret = pthread_mutex_init(&mutex,NULL);

作用
主函数中动态初始化互斥锁，第二个参数为 NULL 时使用默认属性。

pthread_mutex_destroy(&mutex);

作用
主函数中销毁互斥锁，释放相关资源。

信号量（Semaphore）是线程/进程同步的重要工具，用于控制对共享资源的访问或实现线程间的协作。

sem_init()

初始化信号量

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

功能：初始化一个无名信号量。

sem_wait()

int sem_wait(sem_t *sem);
sem_wait(&sem);

功能：
如果信号量值 > 0，则减 1 并立即返回。
如果信号量值 = 0，则线程阻塞，直到信号量值变为正数。
返回值：成功返回 0，失败返回 -1（如被信号中断）。

sem_post()

释放（V操作）

int sem_post(sem_t *sem);

功能：将信号量值加 1，并唤醒等待该信号量的线程。
返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

sem_trywait()

非阻塞等待

sem_destroy()

销毁信号量

/dev/tty*和其他

在 Linux 系统中，/dev/tty* 是一系列与终端（Terminal）相关的设备文件，它们代表了不同的终端类型和功能。以下是详细的分类和解释：

设备文件	类型	主要用途
/dev/ttyS0	物理串行终端	连接硬件设备（如调制解调器）
/dev/tty1~tty6	虚拟终端	本地多用户文本界面（Ctrl+Alt+F1~F6切换）
/dev/pts/0	伪终端	图形终端或远程SSH会话
/dev/tty	当前终端	进程获取自己的控制终端
/dev/console	系统控制台	内核输出和紧急消息

/dev/console 是 Linux 系统中的 系统控制台设备，用于内核和系统级消息的输出，同时也是系统启动过程中的主要交互终端。

行规程（Line Discipline）

Linux TTY（终端）子系统的核心组件之一，负责管理终端设备的数据流，包括：
输入/输出处理（缓冲、回显、转换）
特殊字符解释（如 Ctrl+C 终止进程）
协议封装（如串口通信的 SLIP 或 PPP）

行规程的作用
行规程位于 TTY 驱动层 和 用户进程 之间，对数据流进行中间处理：

用户进程 (e.g., Bash) ←→ 行规程 (Line Discipline) ←→ TTY 驱动 (UART/PTY) ←→ 硬件/网络
主要功能包括：

功能	说明
行缓冲	将用户输入按行缓冲（直到按下 Enter）。
回显（Echo）	将用户输入的字符显示到终端（可关闭，如密码输入）。
特殊字符处理	解释 Ctrl+C（中断）、Ctrl+Z（挂起）、Backspace（删除）等。
字符转换	如将 \r（回车）转换为 \n（换行），或处理 Unicode 编码。
流量控制	支持 XON/XOFF（软件流控）或硬件流控（RTS/CTS）。
协议封装	将原始字节流封装为 SLIP/PPP 等协议（用于串口拨号或嵌入式通信）。

SMBus（System Management Bus）详解

SMBus（System Management Bus）是由 Intel 在 1995 年定义的一种 两线制串行总线，主要用于 低速率系统管理通信，如：

电源管理（PMBus）
传感器监控（温度、电压、风扇）
智能电池管理
嵌入式设备配置
SMBus 基于 I²C（Inter-Integrated Circuit）协议，但增加了额外的规范和限制，使其更适合 系统管理 任务。

特性	SMBus	I²C
时钟速度	10 kHz ~ 100 kHz（标准）	标准模式：100 kHz，最高 5 MHz
电压电平	3.3V（兼容 5V）	1.8V ~ 5V（取决于设备）
超时机制	强制超时（35ms 时钟超时）	无强制超时
ACK/NACK 规则	更严格（某些情况必须 ACK）	较灵活
协议扩展	支持 Packet Error Checking (PEC)	无内置校验机制
用途	系统管理（电源、传感器、电池）	通用外设通信（EEPROM、LCD）

volatile 使用场景

C/C++ 中的一个关键字，用于告诉编译器不要优化对该变量的访问，确保每次读写都直接操作内存（而非寄存器缓存）。它在嵌入式系统和多线程编程中尤为重要。

volatile int sensor_value;  // 防止编译器优化

• 适用情况：
  • 内存映射硬件寄存器
  • 多线程共享变量
  • 信号处理程序修改变量