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LINUX学习记录——第一章 UNIX系统编程概述

  • 2026-10-23 13:02:07
LINUX学习记录——第一章 UNIX系统编程概述

1)程序模型:

    看图,从程序模型来看,程序是用来读写外部设备的。以键盘显示器为例,有

/* copy from stdin to stdout */intmain(){    int c;    while((c =getchar())!= EOF)        putchar(c);    return 0;}

    它的程序模型为下图:

(2)那如果多个用户呢

    虽然模型复杂了,但对程序而言,它还是从键盘得到数据,将结果显示在显示器上,也可以对磁盘读写,这些操作都没有任何问题,它使用的还是简单模型。

(3)那如果多用户的键盘显示器要任意连接到各个用户程序呢,这样就不只是固定的复杂连接,甚至还有动态的连接。

(4)这时就需要操作系统了。有了操作系统以后,图1.4的混乱状态就可以得到改变,新的模型如图1.5所示。操作系统也是程序,与普通程序一样,也运行在内存中,把普通程序与其他程序或设备连接起来。

(5)操作系统 为程序提供服务

        操作系统控制程序与程序,程序与设备的连接。程序要访问设备(如键盘、磁盘和打印机)必须通过内核,所以只有内核才能直接管理设备。

        程序如果要从键盘得到数据,必须向内核发出请求,若在显示器上显示结果,也要通过内核,程序中所有对设备的操作都是通过内核进行的。

        编写普通程序时可以认为,程序是直接连到键盘、显示器、磁盘等设备的,但在进行系统编程时,必须对系统的结构和工作方式有更深的了解,要知道内核提供哪些服务(系统调用),如何使用它们,系统有哪些资源和设备,不同的资源和设备该如何操作。

(6)系统编程

        内核提供服务以便系统程序可以直接访问系统资源,那么有哪些系统资源和服务呢? 处理器(Processor)、输入输出(I/(O)、进程管理(Process Management)、内存(Memory)、设备(Device)、计时器(Timers)、进程间通信(Interprocess Communication)、网络(Networking)

(7)从用户的角度来理解Unix

        Unix 能做些什么:登录一运行程序一注销,目录操作,文件操作,后续会深入。

(8)从系统的角度来看Unix

        用户和程序之间的连接方式,就是程序之间的连接(输入输出的连接),后续会深入。

(9)动手实践:more命令

        遵循“它能做什么?”、“它是如何实现的?”和“能不能自己编写一个?”。在本节试着自己编写一个程序来实现more 的功能。

        1、more能做什么?

        more可以分页显示文本文件的内容。

        more会显示文件第一屏的内容;在屏幕的底部,more用反白字体显示文件的百分比,这时如果按空格键,文件的下一屏内容会显示出来;如果按回车键,显示的则是下一行,如果输人"q",结束显示,如果输人"h",显示出来的是more的联机帮助。

        注意,当按空格键或输入q"后,程序会立即响应,而无需再按回车键。

        more有3种用法:more filename(more显示文件filename的内容)、command |more(more将command命令的输出分页显示)、more < filename(more从标准输入获取要分页显示的内容,而这时 more的标准输入被重定向到文件filename)。

        2、more是如何实现的?

        通过运行more并观察结果可以知道,more的工作流程如下:

        3、接下来要编写的程序应该像实际的more一样,有足够的灵活性:如果在命令行中给出了文件名,那么就分页显示这个文件,否则的话,从标准输入得到要分页显示的内容。

        3.1、下面是more的第一个版本:

/*more01.c*/#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#define PAGELINE        24#define LINELEN         512voiddo_more(FILE *fp);intsee_more(void);intmain(int argc, char *argv[]){        FILE *fp;        if (argc == 1)                do_more(stdin);        else                while (--argc)                        if ((fp = fopen(*++argv, "r")) != NULL) {                                do_more(fp);                                fclose(fp);                        }                        else                                exit(1);        return 0;}voiddo_more(FILE *fp){        char line[LINELEN];        int num_of_lines = 0;        int reply;        while (fgets(line, LINELEN, fp)) {  //读取一行内容                if (num_of_lines == PAGELINE) { //判断是否满页                        reply = see_more();         //调用交互函数                        if (reply == 0)             //按q则退出                                break;                        num_of_lines -= reply;      //精准回退行数                }                if (fputs(line, stdout) == EOF) //输出一行内容                        exit(1);                    //输出失败则退出                num_of_lines++;                 //行数+1        }}intsee_more(void){        int ch;        printf("\033[7m --more-- \033[m");  //提示反白显示        while ((ch = getchar()) != EOF) {   //用户输入                if (ch == '\n')                 //回车则显示下一行                        return 1;                if (ch == ' ')                  //空格显示下一页                        return PAGELINE;                if (ch == 'q' || ch == 'Q')     //退出                        return 0;        }        return 0;}

        3.2、问题:more01.c 的致命缺陷  —— 无法处理 管道输入(ls /bin | ./more01)

        执行命令 ls /bin | ./more01,期望的结果是将/bin目录下的文件分页,显示24行以后暂停。然而实际的运行结果并不是这样的,24行以后并没有暂停而是继续输出,问题在哪里呢?

        当more01读入第24行后,它打印了--more--,然后等待用户的输入。用户的输入是从哪里来的?在more01中用getchar(),它是从标准输入读数据的。问题就在这里。刚才的命令:ls /bin | ./more01 已经将more01的标准输入重定向到ls的标准输出,这样more01将从同一个数据流中读用户的输入,这显然有问题,图1.14描述了这种状况。

编辑

        解决这个问题的方法是,从标准输入中读入要分页的数据,直接从键盘读用户的输入,如图1.15所示。

编辑

        图1.15中有一个文件/dev/tty,,这是键盘和显示器的设备描述文件,向这个文件写相当于显示在用户的屏幕上,读相当于从键盘获取用户的输入。即使程序的输入/输出被"<"或">"重定向,程序还是可以通过这个文件与终端交换数据。

        从图1.15中可以知道,more有两个输入,程序的标准输入是ls的输出,将其分页显示到屏幕上,当more需要用户输入时,它可以从/dev/tty得到数据。运用上述知识改进more01.c,得到more02.c:

/*more02.c*/#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#define PAGELINE        24#define LINELEN         512voiddo_more(FILE *fp);intsee_more(FILE *cmd);intmain(int argc, char *argv[]){        FILE *fp;        if (argc == 1)                do_more(stdin);        else                while (--argc)                        if ((fp = fopen(*++argv, "r")) != NULL) {                                do_more(fp);                                fclose(fp);                        }                        else                                exit(1);        return 0;}voiddo_more(FILE *fp){        char line[LINELEN];        int num_of_lines = 0;        int reply;        FILE *fp_tty;        fp_tty = fopen("/dev/tty", "r");        while (fgets(line, LINELEN, fp)) {  //读取一行内容                if (num_of_lines == PAGELINE) { //判断是否满页                        reply = see_more(fp_tty);         //调用交互函数                        if (reply == 0)             //按q则退出                                break;                        num_of_lines -= reply;      //精准回退行数                }                if (fputs(line, stdout) == EOF) //输出一行内容                        exit(1);                    //输出失败则退出                num_of_lines++;                 //行数+1        }}intsee_more(FILE *cmd){        int ch;        printf("\033[7m --more-- \033[m");  //提示反白显示        while ((ch = getc(cmd)) != EOF) {   //用户输入                if (ch == '\n')                 //回车则显示下一行                        return 1;                if (ch == ' ')                  //空格显示下一页                        return PAGELINE;                if (ch == 'q' || ch == 'Q')     //退出                        return 0;        }        return 0;}

    3.3、对输入的进一步处理

        上面的交互函数中,用户输入的字符应该被立即送到程序,而不用等待回车,同事还可以使输入的字符不回显,如图1.16所示。

编辑

        图1.16中新加入部分是用于调整终端参数的,程序运行的时候可以动态地调整终端的参数。这需要修改终端属性为 非规范模式(raw/半raw模式),实现: 1. 关闭行缓冲 → 按键立即传递给程序,无需回车;2. 关闭回显 → 按下的按键不在终端显示,界面干净整洁。

        终端属性的修改,依赖 Unix/Linux 专属的 <termios.h> 头文件,核心操作是:

        tcgetattr(int fd, struct termios *tp) :读取当前终端属性并保存

        tcsetattr(int fd, int opt, struct termios *tp) :写入修改后的终端属性生效

        STDIN_FILENO :标准输入文件描述符,固定值0,代表终端

        核心修改的终端属性位:

        c_lflag :本地模式标志位,我们要修改的行缓冲、回显都在这个参数里

        ICANON :关闭该位 → 关闭行缓冲(规范模式)

        ECHO :关闭该位 → 关闭按键回显

/*more03.c*/#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<termios.h>// 终端属性修改的核心头文件#include<unistd.h>// STDIN_FILENO 定义在这个头文件里#define PAGELINE 	24#define LINELEN 	512voiddo_more(FILE *fp);intsee_more(FILE *cmd);voidset_term_noecho_nocanon(struct termios *oldt); // 关闭缓冲和回显voidset_term_restore(struct termios *oldt);       // 恢复终端原属性intmain(int argc, char *argv[]){  FILE *fp;  if (argc == 1)    do_more(stdin);  else    while (--argc)      if ((fp = fopen(*++argv, "r")) != NULL) {        do_more(fp);        fclose(fp);      }      else        exit(1);  return 0;}voiddo_more(FILE *fp){  char line[LINELEN];  int num_of_lines = 0;  int reply;  FILE *fp_tty;  struct termios old_term;            // 定义结构体,保存终端原始属性  fp_tty = fopen("/dev/tty", "r");  set_term_noecho_nocanon(&old_term); // 进入程序后,立即修改终端属性  while (fgets(line, LINELEN, fp)) {  //读取一行内容    if (num_of_lines == PAGELINE) { //判断是否满页      reply = see_more(fp_tty);   //调用交互函数      if (reply == 0) {            //按q则退出        set_term_restore(&old_term);// 按q退出时,先恢复终端属性        break;      }      num_of_lines -= reply;      //精准回退行数    }  if (fputs(line, stdout) == EOF) //输出一行内容    exit(1);                    //输出失败则退出  num_of_lines++;	                //行数+1  }  set_term_restore(&old_term);        // 文件读完后,恢复终端属性}intsee_more(FILE *cmd){  int ch;  printf("\033[7m --more-- \033[m");   //提示反白显示  fflush(stdout); 					 // 强制刷新缓冲区,确保提示文字先显示  while ((ch = getc(cmd)) != EOF) {    //用户输入    if (ch == '\n')  {               //回车则显示下一行      printf("\r\033[K"); 		 // 清除提示文字,光标回行首      return 1;      }    if (ch == ' ')   {               //空格显示下一页      printf("\r\033[K"); 		 // 清除提示文字,光标回行首      return PAGELINE;    }    if (ch == 'q' || ch == 'Q') {    //退出      printf("\r\033[K"); 		 // 清除提示文字,光标回行首      return 0;    }  }  return 0;}//关闭终端的行缓冲和回显voidset_term_noecho_nocanon(struct termios *oldt){    struct termios newt;    tcgetattr(STDIN_FILENO, oldt);  // 保存原始终端属性到oldt    newt = *oldt;                      newt.c_lflag &= ~ICANON;        // 关闭 ICANON 位,关闭行缓冲,无需回车    newt.c_lflag &= ~ECHO;          // 关闭 ECHO 位,关闭按键回显,不显示输入字符    tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &newt); //立即应用修改后的属性}//恢复终端的原始属性voidset_term_restore(struct termios *oldt){    tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, oldt); // 恢复原始属性,立即生效}

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