Linux中POSIX应用场景

news/2025/2/21 23:41:47

Linux 提供了丰富的 POSIX（Portable Operating System Interface）标准接口，这些接口可以帮助开发者编写可移植、高效的应用程序。POSIX 标准定义了一系列系统调用和库函数，涵盖了文件操作、进程管理、线程管理、信号处理、同步机制等方面。

1. 文件操作

POSIX 提供了标准的文件操作接口，用于文件的创建、读取、写入、关闭等操作。

  • open(): 打开文件。
  • close(): 关闭文件。
  • read(): 从文件中读取数据。
  • write(): 向文件中写入数据。
  • lseek(): 移动文件指针。
#include <fcntl.h>   // 包含文件控制相关的函数和宏定义，如 open()
#include <unistd.h>  // 包含 POSIX 标准的系统调用，如 read(), write(), close(), lseek()
#include <iostream>  // 包含标准输入输出流，如 std::cout

int main() {
    // 打开文件 "example.txt"，如果文件不存在则创建它
    // O_RDWR: 以读写模式打开文件
    // O_CREAT: 如果文件不存在则创建
    // 0644: 文件权限设置为用户可读写，组和其他用户只读
    int fd = open("example.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
    if (fd == -1) {  // 检查文件是否成功打开
        perror("open");  // 如果失败，打印错误信息
        return 1;        // 返回错误码 1
    }

    // 要写入文件的字符串
    const char *text = "Hello, POSIX!";
    // 将字符串写入文件
    // fd: 文件描述符
    // text: 要写入的数据
    // 13: 写入的字节数（字符串长度）
    write(fd, text, 13);

    // 将文件指针移动到文件开头
    // fd: 文件描述符
    // 0: 偏移量
    // SEEK_SET: 从文件开头开始计算偏移量
    lseek(fd, 0, SEEK_SET);

    // 定义一个缓冲区，用于存储从文件中读取的数据
    char buffer[14];
    // 从文件中读取数据到缓冲区
    // fd: 文件描述符
    // buffer: 存储读取数据的缓冲区
    // 13: 读取的字节数
    read(fd, buffer, 13);
    buffer[13] = '\0';  // 在缓冲区末尾添加字符串结束符

    // 将读取的数据打印到标准输出
    std::cout << buffer << std::endl;

    // 关闭文件
    close(fd);

    return 0;  // 程序正常结束
}

2. 进程管理

POSIX 提供了进程创建、终止、等待等接口。

  • fork(): 创建子进程。
  • exec() 系列函数: 执行新程序。
  • wait() 和 waitpid(): 等待子进程结束。
  • exit(): 终止进程。
#include <unistd.h>   // 包含 POSIX 标准的系统调用，如 fork(), execlp()
#include <sys/wait.h> // 包含进程等待相关的函数，如 wait()
#include <iostream>   // 包含标准输入输出流，如 std::cout

int main() {
    // 创建一个子进程
    // fork() 返回两次：
    // - 在父进程中返回子进程的 PID
    // - 在子进程中返回 0
    // - 如果失败，返回 -1
    pid_t pid = fork();//父进程和子进程会从 fork() 之后开始并行执行。

    if (pid == 0) {
        // 子进程
        // 使用 execlp() 执行 "ls -l" 命令
        // execlp() 会用指定的程序替换当前进程的地址空间
        // "ls": 要执行的程序（在 PATH 中查找）
        // "ls": 传递给程序的第一个参数（通常是程序名）
        // "-l": 传递给程序的第二个参数（长格式显示）
        // nullptr: 参数列表的结束标志
        execlp("ls", "ls", "-l", nullptr);

        // 如果 execlp() 执行成功，以下代码不会被执行
        // 如果执行失败，会继续执行并打印错误信息
        perror("execlp");
        return 1; // 子进程异常退出
    } else if (pid > 0) {
        // 父进程
        // 等待子进程结束
        // wait() 会阻塞父进程，直到子进程退出
        // nullptr 表示不关心子进程的退出状态
        wait(nullptr);

        // 子进程结束后，打印提示信息
        std::cout << "Child process finished." << std::endl;
    } else {
        // fork() 失败
        perror("fork"); // 打印错误信息
        return 1;       // 返回错误码 1
    }

    return 0; // 程序正常结束
}

3. 线程管理

POSIX 线程（Pthreads）提供了多线程编程的接口。

  • pthread_create(): 创建线程。
  • pthread_join(): 等待线程结束。
  • pthread_exit(): 终止线程。
#include <pthread.h> // 包含 POSIX 线程相关的函数和数据类型，如 pthread_create(), pthread_join()
#include <iostream>  // 包含标准输入输出流，如 std::cout

// 线程函数，新线程启动后执行的函数
void* thread_func(void* arg) {
    // 打印线程中的消息
    std::cout << "Hello from thread!" << std::endl;
    return nullptr; // 线程函数返回 nullptr，表示没有返回值
}

int main() {
    pthread_t thread; // 定义一个线程标识符

    // 创建一个新线程
    // &thread: 用于存储新线程的标识符
    // nullptr: 使用默认的线程属性
    // thread_func: 线程启动后执行的函数
    // nullptr: 传递给线程函数的参数（这里没有传递参数）
    if (pthread_create(&thread, nullptr, thread_func, nullptr) != 0) {
        // 如果线程创建失败，打印错误信息并退出
        perror("pthread_create");
        return 1; // 返回错误码 1
    }

    // 等待线程结束
    // thread: 要等待的线程标识符
    // nullptr: 不关心线程的返回值
    pthread_join(thread, nullptr);

    // 线程结束后，打印提示信息
    std::cout << "Thread finished." << std::endl;

    return 0; // 程序正常结束
}

4. 信号处理

POSIX 提供了信号处理机制，用于处理异步事件。

  • signal(): 设置信号处理函数。
  • sigaction(): 更复杂的信号处理设置。
  • kill(): 发送信号给进程。
#include <csignal>   // 包含信号处理相关的函数和常量，如 signal(), SIGINT
#include <unistd.h>  // 包含 POSIX 标准的系统调用，如 sleep()
#include <iostream>  // 包含标准输入输出流，如 std::cout

// 信号处理函数
void signal_handler(int signum) {
    // 输出接收到的信号编号
    std::cout << "Received signal " << signum << std::endl;
}

int main() {
    // 注册信号处理函数
    // 将 SIGINT 信号（通常是 Ctrl+C 触发的信号）与 signal_handler 函数绑定
    signal(SIGINT, signal_handler);

    // 无限循环，等待信号
    while (true) {
        std::cout << "Waiting for signal..." << std::endl;
        sleep(1); // 休眠 1 秒
    }

    return 0; // 程序正常结束（实际上不会执行到这里）
}

5. 同步机制

POSIX 提供了多种同步机制，如互斥锁、条件变量、信号量等。

  • pthread_mutex_t: 互斥锁。
  • pthread_cond_t: 条件变量。
  • sem_t: 信号量。
#include <pthread.h> // 包含 POSIX 线程相关的函数和数据类型，如 pthread_create(), pthread_mutex_t
#include <iostream>  // 包含标准输入输出流，如 std::cout

// 定义互斥锁
pthread_mutex_t mutex;

// 定义共享数据
int shared_data = 0;

// 线程函数
void* thread_func(void* arg) {
    // 加锁，确保对共享数据的访问是互斥的
    pthread_mutex_lock(&mutex);

    // 修改共享数据
    shared_data++;

    // 输出共享数据的值
    std::cout << "Shared data: " << shared_data << std::endl;

    // 解锁，允许其他线程访问共享数据
    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    // 返回空指针
    return nullptr;
}

int main() {
    // 定义两个线程标识符
    pthread_t thread1, thread2;

    // 初始化互斥锁
    // 第二个参数是互斥锁属性，这里使用默认属性，传入 nullptr
    pthread_mutex_init(&mutex, nullptr);

    // 创建第一个线程
    // pthread_create() 参数：
    // 1. 线程标识符
    // 2. 线程属性（默认属性，传入 nullptr）
    // 3. 线程函数
    // 4. 传递给线程函数的参数（这里不需要，传入 nullptr）
    pthread_create(&thread1, nullptr, thread_func, nullptr);

    // 创建第二个线程
    pthread_create(&thread2, nullptr, thread_func, nullptr);

    // 等待第一个线程结束
    // pthread_join() 会阻塞，直到指定线程结束
    // 第二个参数用于获取线程的返回值，这里不需要，传入 nullptr
    pthread_join(thread1, nullptr);

    // 等待第二个线程结束
    pthread_join(thread2, nullptr);

    // 销毁互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0; // 程序正常结束
}

6. 时间管理

POSIX 提供了时间相关的函数，用于获取和操作时间。

  • gettimeofday(): 获取当前时间。
  • clock_gettime(): 获取更高精度的时间。
  • sleep(): 让进程休眠指定时间。
#include <sys/time.h> // 包含时间相关的函数和数据结构，如 gettimeofday()
#include <unistd.h>   // 包含 POSIX 标准的系统调用，如 sleep()
#include <iostream>   // 包含标准输入输出流，如 std::cout

int main() {
    // 定义两个 timeval 结构体，用于存储时间点
    struct timeval start, end;

    // 获取当前时间，并存储到 start 中
    // gettimeofday() 获取从 1970-01-01 00:00:00 UTC 到当前时间的秒数和微秒数
    // 第二个参数是时区信息，这里不需要，传入 nullptr
    gettimeofday(&start, nullptr);

    // 让程序休眠 2 秒
    sleep(2);

    // 获取当前时间，并存储到 end 中
    gettimeofday(&end, nullptr);

    // 计算时间差
    long seconds = end.tv_sec - start.tv_sec;       // 计算秒数差
    long microseconds = end.tv_usec - start.tv_usec; // 计算微秒数差

    // 将时间差转换为秒（包括微秒部分）
    double elapsed = seconds + microseconds / 1e6; // 1e6 表示 1,000,000，将微秒转换为秒

    // 输出耗时
    std::cout << "Elapsed time: " << elapsed << " seconds" << std::endl;

    return 0; // 程序正常结束
}

7. 网络编程

POSIX 提供了套接字（socket）接口，用于网络编程。

  • socket(): 创建套接字。
  • bind(): 绑定套接字到地址。
  • listen(): 监听连接。
  • accept(): 接受连接。
  • connect(): 连接到服务器。
  • send() 和 recv(): 发送和接收数据。
#include <sys/socket.h> // 包含套接字相关的函数和数据结构，如 socket(), bind(), listen(), accept()
#include <netinet/in.h> // 包含 IPv4 地址结构体 sockaddr_in 和相关的常量，如 INADDR_ANY
#include <unistd.h>     // 包含 POSIX 标准的系统调用，如 close()
#include <iostream>     // 包含标准输入输出流，如 std::cout
#include <cstring>      // 包含字符串操作函数，如 strlen()

int main() {
    // 创建一个套接字
    // AF_INET: 使用 IPv4 地址族
    // SOCK_STREAM: 使用面向连接的 TCP 协议
    // 0: 默认协议（TCP）
    int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_fd == -1) {
        // 如果套接字创建失败，打印错误信息并退出
        perror("socket");
        return 1; // 返回错误码 1
    }

    // 定义服务器地址结构
    struct sockaddr_in address;
    address.sin_family = AF_INET;           // 使用 IPv4 地址族
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;   // 绑定到所有可用的网络接口
    address.sin_port = htons(8080);         // 绑定到端口 8080，htons() 将端口号转换为网络字节序

    // 将套接字绑定到指定的地址和端口
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address)) < 0) {
        // 如果绑定失败，打印错误信息并退出
        perror("bind");
        return 1; // 返回错误码 1
    }

    // 开始监听连接请求
    // 3: 最大等待连接队列的长度
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        // 如果监听失败，打印错误信息并退出
        perror("listen");
        return 1; // 返回错误码 1
    }

    // 接受客户端的连接请求
    // 返回一个新的套接字，用于与客户端通信
    // 后两个参数用于获取客户端的地址信息，这里不需要，因此传入 nullptr
    int new_socket = accept(server_fd, nullptr, nullptr);
    if (new_socket < 0) {
        // 如果接受连接失败，打印错误信息并退出
        perror("accept");
        return 1; // 返回错误码 1
    }

    // 向客户端发送消息
    const char *message = "Hello from server!";
    send(new_socket, message, strlen(message), 0);

    // 关闭与客户端的连接
    close(new_socket);

    // 关闭服务器套接字
    close(server_fd);

    return 0; // 程序正常结束
}

http://www.niftyadmin.cn/n/5861423.html

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