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在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，Linux操作系統(tǒng)已經(jīng)成為了開(kāi)源開(kāi)發(fā)的重要基石。Linux系統(tǒng)不僅僅是在服務(wù)器端上占有一定的市場(chǎng)份額，在移動(dòng)端，嵌入式系統(tǒng)以及工控等領(lǐng)域也都占據(jù)著不可或缺的地位。要成為一名合格的Linux程序員，掌握Linux程序設(shè)計(jì)技術(shù)是必備的一項(xiàng)能力。今天我們就來(lái)探索一下Linux程序設(shè)計(jì)技術(shù)，深入了解Linux的內(nèi)核機(jī)制以及如何利用Linux系統(tǒng)為我們所用。
Linux程序設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)：理解Linux操作系統(tǒng)的核心
我們需要了解Linux操作系統(tǒng)的核心，也就是內(nèi)核，才能更好地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。Linux內(nèi)核提供了很多接口，這些接口能讓我們?cè)谟脩艨臻g內(nèi)創(chuàng)建進(jìn)程、線程、請(qǐng)求I/O操作等等。Linux內(nèi)核還有一個(gè)非常重要的通信機(jī)制——Linux管道，可以用于父進(jìn)程和子進(jìn)程間的管道通信。
在Linux內(nèi)核中，有三類重要的對(duì)象：進(jìn)程、文件和網(wǎng)絡(luò)套接字。進(jìn)程可以通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用fork(|)，創(chuàng)建新的進(jìn)程，而新進(jìn)程會(huì)成為父進(jìn)程的副本，這意味著新進(jìn)程可以訪問(wèn)同樣的資源。文件描述符是進(jìn)程和文件之間唯一的接口，因此所有的I/O都將通過(guò)文件描述符來(lái)完成。網(wǎng)絡(luò)套接字提供了進(jìn)程之間的通信機(jī)制，可以在同一臺(tái)機(jī)器上或多個(gè)不同的機(jī)器之間傳輸數(shù)據(jù)。
當(dāng)然，Linux內(nèi)核也有它的一些不足之處。其中最明顯的是內(nèi)核空間和用戶空間之間的性能瓶頸。這是因?yàn)檫M(jìn)程必須通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)請(qǐng)求內(nèi)核執(zhí)行操作，而系統(tǒng)調(diào)用是一項(xiàng)昂貴的操作。為了緩解這個(gè)問(wèn)題，Linux內(nèi)核引入了線程池技術(shù)，將用戶態(tài)進(jìn)程和內(nèi)核態(tài)操作分離開(kāi)來(lái)，使得系統(tǒng)能夠在更小的操作系統(tǒng)開(kāi)銷下提高性能。
Linux程序設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵：學(xué)會(huì)使用Linux系統(tǒng)調(diào)用
了解了Linux操作系統(tǒng)的核心，我們需要掌握的是如何使用Linux系統(tǒng)調(diào)用來(lái)執(zhí)行我們的程序。Linux系統(tǒng)調(diào)用是Linux內(nèi)核和Linux用戶空間進(jìn)行通信的主要手段。在Linux內(nèi)核中，有數(shù)百個(gè)系統(tǒng)調(diào)用可以調(diào)用，而這些系統(tǒng)調(diào)用也是Linux程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。
其中，最常用的系統(tǒng)調(diào)用是fork(|)和execve()。使用fork(|)，我們可以創(chuàng)建新的進(jìn)程，而使用execve()可以將一個(gè)新的程序加載到當(dāng)前的進(jìn)程中。而對(duì)于文件的讀取，可以使用open()和read()來(lái)打開(kāi)文件并讀取文件內(nèi)容，而對(duì)于文件的寫(xiě)入，則可以使用write()將數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件。除了這些常見(jiàn)的系統(tǒng)調(diào)用，在Linux中還有很多其他的系統(tǒng)調(diào)用可以使用，比如socket()和send()等等。
除了掌握系統(tǒng)調(diào)用的使用方法外，Linux程序設(shè)計(jì)技術(shù)還需要掌握一些高級(jí)技術(shù)，比如多線程程序設(shè)計(jì)、內(nèi)存管理、網(wǎng)絡(luò)編程等等。
多線程程序設(shè)計(jì)在Linux中也很常見(jiàn)。通過(guò)使用pthread庫(kù)和pthread_join()系統(tǒng)調(diào)用，我們可以創(chuàng)建多個(gè)線程并等待它們完成任務(wù)。這種方法能夠快速地提高程序的并發(fā)性能。另外在內(nèi)存管理方面，Linux內(nèi)核提供了很多機(jī)制來(lái)管理進(jìn)程的內(nèi)存，包括虛擬內(nèi)存的管理、內(nèi)存映射、共享內(nèi)存等等。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)編程方面，Linux內(nèi)核也提供了很多接口。通過(guò)使用socket()系統(tǒng)調(diào)用和send()等網(wǎng)絡(luò)操作，我們可以輕松地創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。
Linux程序設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)踐：實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的Linux服務(wù)
讓我們通過(guò)實(shí)戰(zhàn)來(lái)體驗(yàn)一下Linux程序設(shè)計(jì)技術(shù)的魅力。我們將創(chuàng)建一個(gè)非常簡(jiǎn)單的Linux服務(wù)，這個(gè)服務(wù)會(huì)監(jiān)聽(tīng)某個(gè)端口上的請(qǐng)求，然后返回一段文本內(nèi)容。這個(gè)過(guò)程包括三個(gè)步驟：創(chuàng)建一個(gè)socket來(lái)監(jiān)聽(tīng)請(qǐng)求；然后，通過(guò)accept()系統(tǒng)調(diào)用接收連接；我們將文本內(nèi)容通過(guò)send()系統(tǒng)調(diào)用發(fā)送回去。
完整的程序代碼如下：
“`c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int mn(int argc, char *argv[])
{
int sockfd, newsockfd, portno;
socklen_t clilen;
char buffer[256];
struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
int n;
if (argc
fprintf(stderr,”\n錯(cuò)誤：必須輸入端口號(hào)。\n”);
exit(1);
}
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd
fprintf(stderr,”\n錯(cuò)誤：無(wú)法打開(kāi)套接字。\n”);
exit(1);
}
bzero((char *) &serv_addr, sizeof(serv_addr));
portno = atoi(argv[1]);
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
serv_addr.sin_port = htons(portno);
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *) &serv_addr, sizeof(serv_addr))
fprintf(stderr,”\n錯(cuò)誤：無(wú)法綁定套接字。\n”);
exit(1);
}
listen(sockfd,5);
clilen = sizeof(cli_addr);
newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *) &cli_addr, &clilen);
if (newsockfd
fprintf(stderr,”\n錯(cuò)誤：無(wú)法接受請(qǐng)求。\n”);
exit(1);
}
bzero(buffer,256);
n = read(newsockfd,buffer,255);
if (n
fprintf(stderr,”\n錯(cuò)誤：無(wú)法讀取套接字。\n”);
exit(1);
}
printf(“\n這是接收到的消息： %s\n”,buffer);
n = write(newsockfd,”這是返回的消息。\n”,20);
if (n
fprintf(stderr,”\n錯(cuò)誤：無(wú)法寫(xiě)入套接字。\n”);
exit(1);
}
return 0;
}
“`
這個(gè)程序可以通過(guò)編譯器編譯，然后在命令行中運(yùn)行起來(lái)，監(jiān)聽(tīng)在某個(gè)端口上。之后，只要我們發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，這個(gè)程序就會(huì)接受請(qǐng)求并返回一段文本內(nèi)容。
結(jié)論
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個(gè)人覺(jué)得《鳥(niǎo)哥的Linux私房菜》這本書(shū)很不錯(cuò)，內(nèi)容詳盡，語(yǔ)言通俗，既適合Linux初學(xué)者學(xué)習(xí)，也適合Linux管理人員參考。目前的最新版本是第三版，在各大書(shū)店或網(wǎng)店上都能買(mǎi)到。
摘錄一些介紹：
本書(shū)是更具老牌度的Linux入門(mén)書(shū)《鳥(niǎo)哥的Linux私房菜基礎(chǔ)學(xué)習(xí)篇》的最新版，全面而詳細(xì)地介紹了Linux操作系統(tǒng)。全書(shū)分為5個(gè)部分：之一部分著重說(shuō)明Linux的起源及功能，如何規(guī)劃和安裝Linux主機(jī)；第二部分介紹Linux的文件系統(tǒng)、文件、目錄與磁盤(pán)的管理；第三部分介紹文字模式接口shell和管理系統(tǒng)的好幫手shell腳本，另外還介紹了文字編輯器vi和vim的使用方法；第四部分介紹了對(duì)于系統(tǒng)安全非常重要的Linux賬號(hào)的管理，以及主機(jī)系統(tǒng)與程序的管理，如查看進(jìn)程、任務(wù)分配和作業(yè)管理；第五部分介紹了系統(tǒng)管理員(root)的管理事項(xiàng)，如了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況、系統(tǒng)服務(wù)，針對(duì)登錄文件進(jìn)行解析，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行備份以及核心的管理等。
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《鳥(niǎo)哥的私房菜》感覺(jué)比較好。
在介紹Linux系統(tǒng)調(diào)用的書(shū)籍中，The Linux Programming Interface 絕對(duì)是一本不容錯(cuò)過(guò)的工具書(shū)。亞馬遜上給出了接近五星的評(píng)價(jià)，并且是Unix編程類書(shū)籍中的之一名。Goodreads、豆瓣也同樣送出了高分。本書(shū)作者M(jìn)ichael Kerris從事UNIX領(lǐng)域開(kāi)發(fā)20多年，并且從2023年起開(kāi)始參與維護(hù)man-page工程，是該領(lǐng)域的資深專家。在書(shū)中作者詳細(xì)描述了五百多個(gè)系統(tǒng)調(diào)用和庫(kù)函數(shù)，并附有200多個(gè)程序用例，內(nèi)容幾乎涵蓋各個(gè)方面：文件讀寫(xiě)、內(nèi)存、信號(hào)、時(shí)鐘、進(jìn)程、線程、IPC、socket等等。該書(shū)既可以用來(lái)全面熟悉Linux/Unix系統(tǒng)編程，又可以作為手冊(cè)時(shí)常查閱。 非常重要的一點(diǎn)是對(duì)于如此多的篇幅作者一個(gè)人仍然能夠講述得清晰詳盡，枯燥的技術(shù)知識(shí)點(diǎn)娓娓道來(lái)。safari online有現(xiàn)成的原版福利，有興趣的小伙伴可以閱讀下。
全書(shū)大致分為五個(gè)部分: 文件/文件系統(tǒng)(第4，5，13-19章)，信號(hào)、時(shí)鐘（第20-23章），進(jìn)程線程（第24-37章），IPC（第43-55章），socket（第56-61章）。幾乎涉及到每一個(gè)方面。
書(shū)中不僅僅是系統(tǒng)調(diào)用接口的簡(jiǎn)單枯燥的介紹，作者對(duì)很多的接口和庫(kù)都加上了對(duì)應(yīng)的程序樣例和設(shè)計(jì)實(shí)例，并且闡述一些內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)機(jī)制來(lái)加深讀者的理解。
和APUE比較
APUE（Advanced Programming in the Unix Environment）則是包含了UNIX, Linux。The Linux Programming Interface完全面向Linux，章節(jié)更多，內(nèi)容講述更詳細(xì)，可以看做是Linux版的APUE。上手門(mén)檻更低，號(hào)稱書(shū)中的程序例子直接可以在機(jī)器上運(yùn)行。
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