Linux操作系統(tǒng)-第6講C語(yǔ)言編程

1、第6講 C語(yǔ)言編程 gcc、gdb的使用與Linux進(jìn)程創(chuàng)建Linux的程序文件名后綴后綴后綴文件類型文件類型.cC語(yǔ)言源代碼文件.c或.cc或.cxx C+源代碼文件.s匯編語(yǔ)言源代碼文件.h頭文件.i已預(yù)處理過(guò)的C語(yǔ)言源代碼文件.ii已預(yù)處理過(guò)的C+語(yǔ)言源代碼文件.S已預(yù)處理過(guò)的匯編語(yǔ)言源代碼文件.o編譯后的目標(biāo)文件.so目標(biāo)文件構(gòu)成的動(dòng)態(tài)庫(kù)文件.a目標(biāo)文件構(gòu)成的靜態(tài)庫(kù)文件GCC編譯器 GCC是GNU C Comiler的縮寫，是GNU推出的 完全免費(fèi)、功能強(qiáng)大，支持多種語(yǔ)言（C，C+，F(xiàn)ORTRAN，PASCAL，ADA）的編譯器。 支持多種硬件平臺(tái)，執(zhí)行效率快多種硬件平臺(tái)，執(zhí)行效率快，

2、比一般的編譯器的執(zhí)行效率高20%30% 。 查看gcc版本:gcc -vGCC編譯過(guò)程 預(yù)處理預(yù)處理：調(diào)用linux的CPP預(yù)編譯程序，生成.i的臨時(shí)文件。 將#include 文件拷貝到要編譯的源文件中。 用實(shí)際值替代#define文本。 在調(diào)用宏的地方進(jìn)行宏替換。命令#gcc E o test.i test.c或#cpp test.ctest.i 匯編匯編：調(diào)用linux的as匯編編譯程序，生成.s的匯編文件。命令#gcc S test.c 編譯編譯：調(diào)用linux的cc1編譯程序，生成.o的目標(biāo)文件。命令#gcc c test.c 鏈接鏈接：調(diào)用linux的ld鏈接程序，生成最后的可執(zhí)行

3、文件。命令#gcc o test test.c 執(zhí)行執(zhí)行#./testGcc的基本選項(xiàng) Gcc options filenames Options有如下常用選項(xiàng)： -S：對(duì)源程序進(jìn)行預(yù)處理和編譯，不進(jìn)行匯編和鏈接，自動(dòng)生成匯編文件。 -c：執(zhí)行預(yù)處理、編譯、匯編而不鏈接，生成.o為后綴的目標(biāo)文件。通常用于編譯沒有主程序的子程序文件。 -o output_filename：指定輸出文件名為output_filename,不指定時(shí)缺省文件名為a.out -g：產(chǎn)生調(diào)試信息。 -x：指定待編譯程序的語(yǔ)言。如gcc xc+ test.cpp -O0：不優(yōu)化。 -O1：第一級(jí)優(yōu)化。允許與-g共用，編譯鏈

4、接過(guò)程稍慢。 -O2：第二級(jí)優(yōu)化。特別對(duì)于大型程序，可以大幅度提高運(yùn)行速度。 -O3：第三級(jí)優(yōu)化。與O2的區(qū)別在于它允許把函數(shù)直接插入到調(diào)用的代碼處 。Gcc函數(shù)庫(kù) Gcc options 選項(xiàng)： -lm 指定函數(shù)庫(kù) -L 指定函數(shù)庫(kù)的搜尋目錄 -I指定include 所在目錄。 Gcc函數(shù)庫(kù) 共享函數(shù)庫(kù)的格式fun.so.x.x.x，其中x.x.x指版本號(hào)，共享函數(shù)庫(kù)通常會(huì)有符號(hào)鏈接指向靜態(tài)函數(shù)庫(kù)或相關(guān)so的文件。 命令ldd用于查出程序所用的共享函數(shù)庫(kù)。 例1: ldd test 例2: ldd sin分別編譯main()和其他函數(shù)程序維護(hù)工具make Linux 系統(tǒng)的許多軟件都是使用m

5、ake程序和 makefile來(lái)維護(hù)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編譯的， make程序自動(dòng)確定需要重新編譯的文件，只對(duì)他們進(jìn)行重新編譯，然后鏈接生成可執(zhí)行文件。 make程序是在程序調(diào)試、改進(jìn)過(guò)程中必不可少的工具。 make程序可以自動(dòng)對(duì)已修改的源程序進(jìn)行編譯，而對(duì)未改變的部分則跳過(guò)編譯步驟，從而大大提高效率，是源程序的編譯、鏈接、管理更加規(guī)范和有條理。 make程序需要兩方面的信息：一是可執(zhí)行文件和各個(gè)程序模塊之間的關(guān)系，二是文件的修改日期。 可執(zhí)行文件和各個(gè)程序模塊之間的關(guān)系通常記錄在makefile或Makefile中。makefile語(yǔ)法target(目標(biāo)名)：dependency(依賴模塊)comma

6、nd(命令行) 依賴關(guān)系一行放不下時(shí)，續(xù)行用“”標(biāo)記。 命令行command之前不可有空格，只是加制表符tab 命令行command行中的命令若不想顯示在屏幕上則在其前加 例如makefile文件為test : testmain.o testfun.ogcc -o test testmain.o testfun.otestmain.o : testmain.cgcc -c testmain.ctestfun.o: testfun.cgcc -c testfun.cclean:rm f test*.o寫makefile. 注意：命令前用鍵GDB調(diào)試器 GDB是GNU自帶的調(diào)試工具，GDB支持C，

7、C+，Modula-2等。 編譯程序時(shí)加調(diào)試開關(guān) #gcc g -o test test.c 進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)# gdb test GDB常用命令命令名命令名參數(shù)參數(shù)說(shuō)明說(shuō)明break行號(hào)、函數(shù)名、地址設(shè)置斷點(diǎn)。clear行號(hào)、函數(shù)名、地址去掉指定位置的斷點(diǎn)，未指定位置則去掉當(dāng)前斷點(diǎn)。run命令 參數(shù)開始運(yùn)行被調(diào)試程序。continue繼續(xù)程序運(yùn)行，直到下一個(gè)斷點(diǎn)或程序結(jié)束list-、行號(hào)、函數(shù)名、地址顯示指定行的源代碼,-表示前10行，否則回10行。next數(shù)值單步運(yùn)行，不進(jìn)入函數(shù)體。step數(shù)值單步運(yùn)行，進(jìn)入函數(shù)體。disp表達(dá)式顯示表達(dá)式的值。print表達(dá)式臨時(shí)顯示表達(dá)式的值，下次運(yùn)行時(shí)表

8、達(dá)式的值不顯示。call函數(shù)程序執(zhí)行中調(diào)用指定函數(shù)。finish繼續(xù)程序運(yùn)行，直到下一個(gè)斷點(diǎn)或返回調(diào)用者。file文件名打開要調(diào)試的文件。quit退出GDB。GDB其他使用技巧 在GDB下執(zhí)行shell命令（ gdb）shell commandline 重復(fù)上次命令的執(zhí)行直接回車 指令級(jí)的調(diào)試 stepi/nexti（指令級(jí)單步執(zhí)行） disp/x $寄存器（顯示寄存器的值） 出錯(cuò)后的調(diào)試。程序發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)在當(dāng)前目錄下產(chǎn)生一個(gè)名為core的內(nèi)存映像文件。 #gdb a.out core 獲得幫助 Shell狀態(tài)下，運(yùn)行info gdb 或 man gdb GDB狀態(tài)下，運(yùn)行(gdb)help

9、或(gdb)help GDB命令名Linux中的進(jìn)程 進(jìn)程這個(gè)概念是伴隨著Unix的產(chǎn)生而出現(xiàn)的，Unix之父Dennis Ritchie當(dāng)初用來(lái)發(fā)表Unix的論文的時(shí)候就提出了用進(jìn)程的觀點(diǎn)來(lái)看待整個(gè)操作系統(tǒng)，隨著操作系統(tǒng)理論的發(fā)展，進(jìn)程作為程序執(zhí)行的實(shí)體和資源分配的單位的觀念也在變化。線程的出現(xiàn)，改變了進(jìn)程的傳統(tǒng)概念。但是在linux中，進(jìn)程仍然保留著傳統(tǒng)的意義，它包括四個(gè)要素： 程序段。 系統(tǒng)堆棧空間。 task_struct結(jié)構(gòu)（PCB）。 專有內(nèi)存空間。Linux中的線程單進(jìn)程單線程單進(jìn)程多線程多進(jìn)程每個(gè)進(jìn)程一個(gè)線程多進(jìn)程每個(gè)進(jìn)程多個(gè)線程linux的線程模型是一種一對(duì)一模型，也就是每個(gè)

10、線程實(shí)際上在核心是一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程，核心的調(diào)度程序負(fù)責(zé)線程的調(diào)度。進(jìn)程控制塊和堆棧 作為描述進(jìn)程信息，操作系統(tǒng)感知進(jìn)程存在的進(jìn)程控制塊（PCB），在linux中是由結(jié)構(gòu)task_struct來(lái)實(shí)現(xiàn)的。t a s k _ s t r u c t 的 定 義 在include/linux/sched.h中給出。 當(dāng)產(chǎn)生一個(gè)的進(jìn)程時(shí)，在內(nèi)核空間中會(huì)分配一個(gè)8K的空間來(lái)記錄新進(jìn)程的信息，其中包括task_struct結(jié)構(gòu)和為進(jìn)程分配的內(nèi)核堆棧，當(dāng)進(jìn)程由于系統(tǒng)調(diào)用轉(zhuǎn)到內(nèi)核時(shí)，就要切換到該進(jìn)程的內(nèi)核堆棧了。 task_struct結(jié)構(gòu)可以被系統(tǒng)中的許多模塊訪問，如調(diào)度程序、資源分配程序、中斷處 理 程 序

11、等 。 由 于task_struct結(jié)構(gòu)經(jīng)常被訪問，它常駐內(nèi)存。 task_struct系統(tǒng)空間堆棧(大約7KB)兩個(gè)連續(xù)物理頁(yè)面(8KB)linux進(jìn)程的創(chuàng)建與執(zhí)行 linux進(jìn)程創(chuàng)建創(chuàng)建用以下系統(tǒng)調(diào)用完成: 系統(tǒng)調(diào)用fork()：父進(jìn)程的所有資源通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)制全部給子進(jìn)程。 fork()用于創(chuàng)建進(jìn)程。用于創(chuàng)建進(jìn)程。 后增設(shè)的系統(tǒng)調(diào)用vfork()： 除了task_struct和系統(tǒng)空間堆棧以外的資源全部都通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針的復(fù)制“遺傳”。所以vfork創(chuàng)建的是線程，而創(chuàng)建的是線程，而不是進(jìn)程。不是進(jìn)程。 系統(tǒng)調(diào)用clone()：進(jìn)程的資源有選擇地復(fù)制給子進(jìn)程，而沒有復(fù)制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（資源如內(nèi)

12、存空間）通過(guò)指針的復(fù)制讓子進(jìn)程共享。 用clone既可以既可以創(chuàng)建創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，也可以創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，也可以創(chuàng)建一個(gè)線程。一個(gè)線程。創(chuàng)建子進(jìn)程后父進(jìn)程的選擇 創(chuàng)建子進(jìn)程后，父進(jìn)程可以有以下幾種選擇： 父進(jìn)程不受影響，繼續(xù)執(zhí)行，也稱“異步”方式。 父進(jìn)程停下來(lái)，等待子進(jìn)程完成后，再繼續(xù)執(zhí)行，也稱“同步”方式。用系統(tǒng)調(diào)用wait()和 waitpid()實(shí)現(xiàn)。 wait()是等待所有子進(jìn)程完成； waitpid()等待特定子進(jìn)程完成。 父進(jìn)程創(chuàng)建了子進(jìn)程后，馬上結(jié)束自己。用系統(tǒng)調(diào)用exit()實(shí)現(xiàn)。進(jìn)程的撤消 用戶程序中好像沒有調(diào)用exit()就結(jié)束了，實(shí)際上當(dāng)用戶程序編譯時(shí)，編譯器在程序的結(jié)尾處加

13、上一個(gè)exit()系統(tǒng)調(diào)用的，所以當(dāng)進(jìn)程完成任務(wù)時(shí)，就會(huì)調(diào)用exit()來(lái)結(jié)束自己。用戶程序也可以主動(dòng)地調(diào)用exit()來(lái)顯式的結(jié)束。 fork() #include #include pid_t fork(void); fork()函數(shù)是一個(gè)單調(diào)用雙返回函數(shù)。調(diào)用后，子進(jìn)程是父進(jìn)程的一個(gè)復(fù)制，父子進(jìn)程都從fork()語(yǔ)句的一條語(yǔ)句開始執(zhí)行。 調(diào)用正確完成時(shí)， 給父進(jìn)程返回的是被創(chuàng)建子進(jìn)程的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符（給父進(jìn)程返回的是被創(chuàng)建子進(jìn)程的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符（0）。）。 給子進(jìn)程返回的是給子進(jìn)程返回的是0。 調(diào)用失敗時(shí)給父進(jìn)程返回調(diào)用失敗時(shí)給父進(jìn)程返回-1。fork()使用舉例/fork .#include

14、#include #include int glob = 3;int main(void) pid_t pid; int loc = 3; printf(Before fork :glob=%d,loc=%dn,glob,loc); pid = fork(); if (pid 0) printf(fork errorn); exit(0); else if (pid = 0) glob = glob + 1; loc= loc - 1;/sleep(1); printf(Now child process changes glob=%d and loc=%dn,glob,loc); else

15、printf(parent process doesnt changes the glob=%d and loc=%d n,glob,loc); printf(End pid=%d,:glob=%d,loc=%dn,pid,glob,loc); exit(0);fork()運(yùn)行結(jié)果分析 fork()可能產(chǎn)生兩種運(yùn)行結(jié)果： 一種為：子進(jìn)程先運(yùn)行，父進(jìn)程后運(yùn)行 另一種為：父進(jìn)程先運(yùn)行，子進(jìn)程后運(yùn)行vfork()使用舉例/vfork .#include #include #include int glob = 3;int main(void) pid_t pid; int loc = 3; prin

16、tf(Before vfork :glob=%d,loc=%dn,glob,loc); pid = vfork(); if (pid 0) printf(vfork errorn); exit(0); else if (pid = 0) glob = glob + 1; loc= loc - 1;sleep(1); printf(child process changes glob=%d and loc=%dn,glob,loc); exit(0); else printf(parent process doesnt changes the glob=%d and loc=%d n,glob,

17、loc); printf(End:glob=%d,loc=%dn,glob,loc); exit(0);vfork()運(yùn)行結(jié)果分析 vfork()可能產(chǎn)生兩種運(yùn)行方式，但變量最后結(jié)果是一樣的（因?yàn)槭侵羔槒?fù)制）：clone()#include #include int clone(int(*fn)(void*),void *child_stack, int flags,void *arg); 與fork()不同的是，clone()函數(shù)創(chuàng)建的線程或進(jìn)程，另立門戶。 當(dāng)線程被創(chuàng)建后，執(zhí)行fn(arg) 指定的函數(shù)。 fn是指向執(zhí)行函數(shù)的指針，arg是傳遞給含數(shù)的參數(shù)。當(dāng) fn(arg) 執(zhí)行終止時(shí)，

18、線程撤消。 fn返回的是整型值，即線程的退出碼。線程也可以調(diào)用exit()終止自己。child_stack說(shuō)明線程使用的堆棧，它是指向堆棧的指針。 當(dāng)線程終止時(shí)，用flags的低字節(jié)給父進(jìn)程返回信號(hào)， 調(diào)用正確完成時(shí)，與fork()一樣，給父進(jìn)程返回的是被創(chuàng)建線程的標(biāo)識(shí)符。 調(diào)用失敗時(shí)給父進(jìn)程返回-1。 clone()函數(shù)是Linux專用的。clone()使用舉例#include #include int myfun() printf(Now in thread!n); exit(0);int main() int fd; void *child_stack; int flag; typede

19、f int (*fn)(void *); void *arg; int p20; child_stack = p; fd = clone(fn)myfun,child_stack,flag, arg); if (fd 0) printf(Thread created!fd=%dn,fd); else printf(Thread create Failn); sleep(1); exit(0);clone()運(yùn)行結(jié)果分析 clone()是Linux專用的，不能在其他類unix系統(tǒng)上使用。用clone傳遞參數(shù)#include #include int myfun(int *argfun) int

20、x,y; printf(Now in threadn); x = *argfun; argfun = argfun + 1; y = *argfun; if (xy) printf(max=%dn,x); else printf(max=%dn,y); /exit(0);int main() int fd; void *child_stack; int flag; typedef int (*fn)(void *); void *arg; int p20; int a2; a0 = 6; a1 = 5; child_stack = p; arg = a; fd = clone(fn)myfun

21、(arg),child_stack,flag, arg); if (fd 0) printf(Thread created!fd=%dn,fd); else printf(Thread create Failn); exit(0);父子進(jìn)程同步wait #include #include pid_t wait(int *status);/等待所有子進(jìn)程完成 pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);/等待特定子進(jìn)程完成。wait使用舉例/forkwait#include #include #include int main(void)

22、 pid_t pid; pid = fork(); if (pid 0) printf(fork errorn); exit(0); else if (pid = 0) printf(Now child processn); sleep(1); exit(0); wait(); printf(End parent now!n ); exit(0);將wait()可以改為waitpid(pid)，效果相同運(yùn)行結(jié)果分析 運(yùn)行結(jié)果只有一個(gè)，子進(jìn)程先執(zhí)行，子進(jìn)程結(jié)束后父進(jìn)程再執(zhí)行。kill( )函數(shù) kill()函數(shù)用于刪除執(zhí)行中的程序或者任務(wù)。 調(diào)用格式：調(diào)用格式： kill(int PID,int

23、 IID)； 其中：PID是要被殺死的進(jìn)程號(hào)，IID為向?qū)⒈粴⑺赖倪M(jìn)程發(fā)送的中斷號(hào)。 signal()函數(shù)signal()）函數(shù) signal()函數(shù)是允許調(diào)用進(jìn)程控制軟中斷信號(hào)的處理。 調(diào)用格式：調(diào)用格式： #include int sig； void func()； signal(sig，func)； sig的值是下列之一：SIGHUP 掛起 1 SIGINT 鍵盤按delete鍵或break鍵 2 SIGQUIT 鍵盤按quit鍵 3 SIGILL 非法指令 4 SIGTRAP 跟蹤中斷 5 SIGIOT IOT指令 6 SIGBUS 總線錯(cuò) 7 SIGFPE 浮點(diǎn)運(yùn)算溢出 8 SIGK

24、LL 要求終止進(jìn)程 9 SIGUSR1 用戶定義信號(hào)#1 10 SIGSEGV 段違法 11 SIGUSR2 用戶定義信號(hào)#2 12 SIGPIPE 向無(wú)讀者管道上寫 13 SIGALRM 定時(shí)器告警，時(shí)間到 14 SIGTERM kill發(fā)出的軟件結(jié)束信號(hào) 15 SIGCHLD 子進(jìn)程死 17 SIGPWR 電源故障 30function的解釋如下Function：在該進(jìn)程中的一個(gè)函數(shù)地址，在核心返回用戶態(tài)時(shí)，它以軟件中斷信號(hào)的序號(hào)作為參數(shù)調(diào)用該函數(shù)，對(duì)除了信號(hào)SIGILL、SIGTRAP和SIGPWR以外的信號(hào)，核心自動(dòng)地重新設(shè)置軟中斷信號(hào)處理程序的值為SIG_DFL，一個(gè)進(jìn)程不能捕獲SI

25、GKILL信號(hào)。實(shí)現(xiàn)軟中斷通信的程序 使用系統(tǒng)調(diào)用fork()創(chuàng)建兩個(gè)子進(jìn)程，再用系統(tǒng)調(diào)用signal()讓父進(jìn)程捕捉鍵盤上來(lái)的中斷信號(hào)（即按Del鍵），當(dāng)父進(jìn)程接受到這兩個(gè)軟中斷的其中某一個(gè)后，父進(jìn)程用系統(tǒng)調(diào)用kill()向兩個(gè)子進(jìn)程分別發(fā)送整數(shù)值為16和17軟中斷信號(hào)，子進(jìn)程獲得對(duì)應(yīng)軟中斷信號(hào)后，分別輸出下列信息后終止： Child process 1 is killed by parent ! Child process 2 is killed by parent ! 父進(jìn)程調(diào)用wait()函數(shù)等待兩個(gè)子進(jìn)程終止后，輸出以下信息后終止： Parent process is killed! 軟中斷流程圖 開開始始初初始始化化軟軟中中斷斷信信號(hào)號(hào)集集創(chuàng)創(chuàng)建建子子進(jìn)進(jìn)程程1 1子子進(jìn)進(jìn)程程1 1創(chuàng)創(chuàng)建建成成功功？否否是是是是否否子子進(jìn)進(jìn)程程1 1等等待待軟軟中中斷斷信信號(hào)號(hào)1 16 6發(fā)發(fā)生生否否等等待待軟軟中中斷斷發(fā)發(fā)生生是是是是過(guò)過(guò)了了5 5秒秒？否否產(chǎn)產(chǎn)生生軟軟中中斷斷S SI IG GA AL LR RM M是是調(diào)調(diào)用用k ki il ll l( ( ) )向向兩兩子子進(jìn)進(jìn)程程發(fā)發(fā)中中斷斷信信號(hào)號(hào)等等待待子子進(jìn)進(jìn)程程1 1終終止止結(jié)結(jié)束束子子進(jìn)進(jìn)程程2 2等等待待軟軟中中斷斷信信號(hào)號(hào)1 17