Linux文件、进程、网络编程全解析，自制笔记一万字！！

最新推荐文章于 2025-10-03 12:41:55 发布

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#单片机 #stm32 #嵌入式硬件 #网络 #tcp/ip #qt #linux

文件编程

内容概览

包含文件系统原理及访问机制、文件在内核中的管理机制、文件信息节点 inode、文件的共享、文件权限（各种用户对其权限）等内容。

应用场景

实际应用：账单、游戏进度、配置文件等。
核心需求：通过代码操作文件，实现文件创建、打开、编辑等自动化执行。

文件操作对比

Windows 手动修改文件：如编写 Word 文档的流程。
Linux 操作流程：打开 / 创建文档→编辑文档→保存文档→关闭文档。

Linux 文件操作 API

操作系统提供一系列 API 实现自动化操作，包括：

打开：open
读写：write/read
光标定位：lseek
关闭：close

打开 / 创建文件

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
int creat(const char *pathname, mode_t mode);

描述：open()通过路径名打开文件，返回文件描述符（非负整数），用于后续系统调用（如read、write等）。成功返回的文件描述符是进程中当前未使用的最小非负整数。
参数说明：
- pathname：要打开的文件名（含路径，缺省为当前路径）。
- flags：
  - 必选权限（仅能指定一个）：O_RDONLY（只读）、O_WRONLY（只写）、O_RDWR（可读可写）。
  - 可选参数：
    - O_CREAT：文件不存在则创建，需同时指定mode。
    - O_EXCL：与O_CREAT同时使用时，若文件已存在则出错。
    - O_APPEND：每次写操作追加到文件尾端。
    - O_TRUNC：若文件有内容且以只读 / 只写成功打开，将长度截短为 0。
- mode：仅当flags含O_CREAT时有效，指定新文件的访问权限。
创建文件creat函数：

运行
```
int creat (const char *filename, mode_t mode)
```
- filename：要创建的文件名（含路径，缺省为当前路径）。
- mode：创建模式（宏表示与对应数字）：
  - 可读：S_IRUSR（4）
  - 可写：S_IWUSR（2）
  - 可执行：S_IXUSR（1）
  - 可读、写、执行：S_IRWXU（7）

写入文件

函数原型：

运行

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

描述：从缓冲区buf向文件描述符fd对应的文件写入最多count字节。
返回值：成功返回写入的字节数（0 表示未写入）；失败返回 - 1，errno被设置。
- 写入字节可能少于count（如存储空间不足、被信号中断等）。
- 对可定位文件，写入从当前偏移量开始，偏移量随写入字节数增加；若以O_APPEND打开，写入前偏移量被设为文件尾，偏移量调整和写入为原子操作。

读取文件

函数原型：

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

描述：从文件描述符fd对应的文件读取最多count字节到缓冲区buf。
返回值：成功返回读取的字节数（0 表示文件结束），文件位置随字节数推进；失败返回 - 1，errno被设置。
- 读取字节可能少于count（如接近文件尾、从管道 / 终端读取、被信号中断等）。

文件 “光标” 位置（`lseek`）

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

描述：重新定位文件读写偏移量，根据whence调整：
- SEEK_SET：偏移量设为offset字节。
- SEEK_CUR：偏移量设为当前位置加offset字节。
- SEEK_END：偏移量设为文件大小加offset字节。

关闭文件（`close`）

函数原型：
```
#include <unistd.h>
int close(int fd);
```
描述：关闭文件描述符fd，使其不再指向任何文件并可重用。释放关联资源，若为最后一个引用且文件已被unlink，则删除文件。
返回值：成功返回 0；失败返回 - 1，errno被设置。

文件描述符

内核通过文件描述符（非负整数）引用所有打开文件。打开 / 创建文件时，内核向进程返回文件描述符，用于标识文件并传递给read、write等函数。
惯例：文件描述符 0（标准输入，STDIN_FILENO）、1（标准输出，STDOUT_FILENO）、2（标准错误输出，STDERR_FILENO）。
进程中，文件描述符与内核维护的动态文件数据结构绑定，作用域仅限当前进程。

文件编程一般步骤

打开 / 创建文件：获取文件描述符。
读取 / 写入文件：操作内存中的动态文件。
关闭文件：同步动态文件到块设备的静态文件，释放资源。
原理：
- 静态文件：存于块设备的文件系统中。
- 动态文件：打开文件时，内核在内存中创建的数据结构，映射静态文件内容，读写操作基于动态文件。
- 设计原因：内存操作（字节单位、随机访问）比块设备操作（按块读写）更灵活。

Linux 文件管理简述

（对应图片内容未明确，暂空）

文件编程练手

实现 Linux 的cp命令代码。
配置文件修改：如修改包含SPEED=5、LENG=100、SCORE=90、LEVEL=95的配置文件。

其他问题

如何用文件记录一个结构体？（未提供具体内容）
函数对比：fopen、fread、fwrite、fseek、fclose、fgetc、fputc、feof与前述 API 的区别（参考链接：总结open与fopen的区别 - NickyYe - 博客园）。

扩展概念

Linux 中 “一切皆文件”，包括文件系统（文件夹 / 文件）、硬件设备、管道、数据库、Socket 等。

进程

进程关键概念

什么是程序，什么是进程，有什么区别？
如何查看系统中有哪些进程？
什么是进程标识符？
什么叫父进程，什么叫子进程？
C 程序的存储空间是如何分配？

问题与解答

什么是程序，什么是进程，有什么区别？
- 程序：静态的概念，如通过gcc xxx.c –o pro在磁盘中生成的pro文件。
- 进程：程序的一次运行活动，即程序运行起来后，系统中新增的活动实体。
如何查看系统中有哪些进程？
- 使用ps指令，实际工作中常配合grep查找特定进程。
- 使用top指令，类似 Windows 任务管理器。
什么是进程标识符？
- 每个进程都有一个非负整数表示的唯一 ID，称为pid（类似身份证）。
- 特殊进程 ID：
  - pid=0：交换进程（swapper），作用是进程调度。
  - pid=1：init进程，作用是系统初始化。
- 编程中可通过getpid函数获取自身进程标识符，getppid获取父进程标识符。
什么叫父进程，什么叫子进程？
- 若进程 A 创建了进程 B，则 A 称为父进程，B 称为子进程。
- 父子进程是相对概念，类似人类的父子关系。
C 程序的存储空间是如何分配？
- 从高地址到低地址依次为：命令行参数和环境变量、栈、堆、未初始化的数据（bss 段）、初始化的数据、正文段。
- 各段说明：
  - 正文段：CPU 执行的机器指令部分，可共享且通常只读。
  - 初始化数据段：包含程序中需明确赋初值的变量，如int maxcount =99;。
  - 非初始化数据段（bss 段）：程序开始执行前，内核将此段数据初始化为 0 或空指针，如long sum[1000];。
  - 栈：存放自动变量及函数调用时需保存的信息（如返回地址、寄存器值），支持函数递归调用。
  - 堆：用于动态存储分配，位于非初始化数据段和栈之间。

进程创建实战

使用fork函数创建进程
- 函数原型：pid_t fork(void);
- 返回值：
  - 调用成功：返回两次，子进程中返回 0，父进程中返回子进程 ID。
  - 调用失败：返回 - 1。
fork创建子进程的一般目的
- 父进程复制自己，使父子进程同时执行不同代码段（如网络服务中，父进程等待请求，子进程处理请求）。
- 进程需执行不同程序（如 shell 中，子进程fork后立即调用exec）。
fork编程说明
- fork创建的子进程是父进程的副本，子进程获得父进程数据空间、堆和栈的副本（现代实现采用写时复制技术，避免完全复制）。
- 父子进程共享正文段。
vfork函数与fork的区别
- 关键区别一：vfork直接使用父进程存储空间，不进行拷贝。
- 关键区别二：vfork保证子进程先运行，子进程调用exit退出后，父进程才执行。

进程退出

正常退出
- main函数调用return。
- 进程调用exit()（标准 C 库函数）。
- 进程调用_exit()或_Exit()（系统调用）。
- 补充：最后一个线程返回；最后一个线程调用pthread_exit。
异常退出
- 调用abort。
- 进程收到某些信号（如ctrl+C）。
- 最后一个线程对取消请求做出响应。

等待子进程

等待原因
- 父进程需等待子进程退出并收集其退出状态，否则子进程退出状态不被收集，会变成僵死进程（僵尸进程）。
相关函数
- wait和waitpid：
  - 函数原型：
    c
    
    运行
```
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *status);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
```
  - 区别：wait使调用者阻塞；waitpid可通过选项设置不阻塞。
  - status参数：非空时，子进程退出状态存于其指向的地址；为空时，不关心退出状态。
  - waitpid的pid参数作用：
    - pid==-1：等待任一子进程（与wait等效）。
    - pid>0：等待进程 ID 与pid相等的子进程。
    - pid==0：等待组 ID 等于调用进程组 ID 的任一子进程。
    - pid<-1：等待组 ID 等于pid绝对值的任一子进程。

检查终止状态的宏（表 8-1）

宏	说明
`WIFEXITED(status)`	若为正常终止子进程的状态，则为真；可通过`WEXITSTATUS(status)`取子进程退出参数的低 8 位
`WIFSIGNALED(status)`	若为异常终止子进程的状态（接到不捕捉的信号），则为真；可通过`WTERMSIG(status)`取终止信号编号
`WIFSTOPPED(status)`	若为当前暂停子进程的状态，则为真；可通过`WSTOPSIG(status)`取暂停信号编号
`WIFCONTINUED(status)`	若为作业控制暂停后继续的子进程状态，则为真（仅用于`waitpid`）

孤儿进程

父进程在子进程之前结束，子进程称为孤儿进程。
Linux 中，init进程会收留孤儿进程，成为其新的父进程。

`exec`族函数

函数特点
- 执行成功后不会返回；调用失败时，设置errno并返回 - 1，从原程序调用点继续执行。
- 参数说明：
  - path：可执行文件的路径名。
  - arg：可执行程序所带参数，第一个参数为可执行文件名（无路径时需以NULL结束）。
  - file：若包含/则视为路径名，否则按PATH环境变量搜寻可执行文件。
- 函数名含义辅助记忆：
  - l：使用参数列表。
  - p：使用文件名，从PATH环境变量寻找可执行文件。
  - v：需构造指向各参数的指针数组，将数组地址作为参数。
  - e：多envp数组，使用新环境变量代替调用进程的环境变量。
作用
- 让进程执行不同的程序（如 shell 中，子进程fork后立即调用exec）。
与fork配合使用
- 例如：父进程检测到输入为 1 时，创建子进程并通过exec修改配置文件的字段值。

`system`函数

功能：执行 shell 命令。
函数原型：#include <stdlib.h> int system(const char *command);
返回值：
- 成功：返回进程的状态值。
- 当sh不能执行时：返回 127。
- 失败：返回 - 1。
参考链接：linux system函数详解 - 南哥的天下 - 博客园

`popen`函数

功能：创建管道流，实现与进程的输入输出交互。

函数原型：

运行

#include <stdio.h>
FILE *popen(const char *command, const char *type);
int pclose(FILE *stream);

比system的优势：可获取命令运行的输出结果。
参考链接：linux下popen的使用心得_linux c++ popen 命令执行结束-优快云博客

其他参考链接

关于exec族函数的精彩博文：linux进程---exec族函数(execl, execlp, execle, execv, execvp, execvpe)-优快云博客

网络编程

TCP/UDP 对比

连接性：TCP 面向连接（如打电话需先拨号）；UDP 无连接，发送数据前无需建立连接。
可靠性：TCP 提供可靠服务（数据无差错、不丢失、不重复、按序到达）；UDP 尽最大努力交付，不保证可靠交付。
数据处理：TCP 面向字节流（将数据视为无结构字节流）；UDP 面向报文。UDP 无拥塞控制，网络拥塞时不降低发送速率（适用于实时应用如 IP 电话、视频会议）。
连接方式：每条 TCP 连接仅点到点；UDP 支持一对一、一对多、多对一、多对多交互通信。
首部开销：TCP 首部开销 20 字节；UDP 首部开销仅 8 字节。
通信信道：TCP 为全双工可靠信道；UDP 为不可靠信道。

端口号作用

一台主机可通过 IP 地址提供多种服务（如 Web、FTP、SMTP 等），仅靠 IP 地址无法区分，需通过 “IP 地址 + 端口号” 识别。
端口是访问通道，服务器通过知名端口号被识别，例如：
- FTP 服务器的 TCP 端口号为 21。
- Telnet 服务器的 TCP 端口号为 23。
- TFTP 服务器的 UDP 端口号为 69。

字节序

定义：
- 小端字节序（Little endian）：数据低位字节存于内存低地址，高位字节存于高地址（如 0x01020304 在内存中存储为 04 03 02 01）。
- 大端字节序（Big endian）：数据高位字节存于内存低地址，低位字节存于高地址（如 0x01020304 在内存中存储为 01 02 03 04）。
- 网络字节序：采用大端字节序。
- 注：x86 系列 CPU 使用小端字节序。

字节序转换 API：

运行

#include <netinet/in.h>
uint16_t htons(uint16_t host16bitvalue);  // 主机16位字节序转网络字节序
uint32_t htonl(uint32_t host32bitvalue);  // 主机32位字节序转网络字节序
uint16_t ntohs(uint16_t net16bitvalue);   // 网络16位字节序转主机字节序
uint32_t ntohl(uint32_t net32bitvalue);   // 网络32位字节序转主机字节序

缩写说明：h（host，主机）、n（net，网络）、s（short，2 字节）、l（long，4 字节）。
可使用INADDR_ANY让操作系统自动获取地址。

服务器与客户端交互基础

服务器：指定协议（TCP/UDP）、IP 地址（楼号）、端口号（房间号），并监听连接请求。
客户端：获取服务器 IP 和端口号，发起连接。

Socket 服务器和客户端开发步骤

创建套接字。
为套接字绑定信息（IP 地址和端口号）。
服务器监听网络连接。
服务器接受客户端连接。
数据交互。
关闭套接字，断开连接。

关键函数与结构

创建套接字（socket函数）：

c

运行
```
int socket(int domain, int type, int protocol);
```
- 参数：
  - domain：协议族（如AF_INET为 IPv4，AF_INET6为 IPv6，AF_UNIX为 Unix 域等）。
  - type：套接字类型（SOCK_STREAM为 TCP 流式套接字，SOCK_DGRAM为 UDP 数据报套接字，SOCK_RAW为原始套接字）。
  - protocol：协议（通常为 0，选择type对应的默认协议，如IPPROTO_TCP为 TCP，IPPROTO_UDP为 UDP）。

地址结构：

通用结构（struct sockaddr）：

运行

struct sockaddr {
    unsigned short sa_family;  // 协议族
    char sa_data[14];          // IP+端口
};

IPv4 专用结构（struct sockaddr_in）：

运行

struct sockaddr_in {
    sa_family_t sin_family;     // 协议族
    in_port_t sin_port;         // 端口号（网络字节序）
    struct in_addr sin_addr;    // IP地址结构体
    unsigned char sin_zero[8];  // 填充，与`sockaddr`对齐
};

地址转换 API：
- int inet_aton(const char* straddr, struct in_addr *addrp);：将字符串 IP（如 “192.168.1.123”）转为网络格式。
- char* inet_ntoa(struct in_addr inaddr);：将网络格式 IP 转为字符串形式。
监听连接（listen函数）：

c

运行
```
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
```
- 功能：设置服务器套接字为监听模式，规定最大连接队列长度。
- 参数：
  - sockfd：服务器套接字描述符。
  - backlog：请求队列允许的最大请求数（内核维护未完成连接队列和已完成连接队列）。
接受连接（accept函数，服务器端）：
- 用于从已完成连接队列中接收客户端连接，返回新的套接字描述符用于数据交互。
发起连接（connect函数，客户端）：

c

运行
```
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
```
- 功能：客户端与服务器建立连接。
- 参数：
  - sockfd：客户端套接字描述符。
  - addr：服务器地址结构指针。
  - addrlen：地址长度（sizeof(struct sockaddr)）。
- 返回值：成功返回 0，失败返回 - 1。

数据收发函数：

基础函数（read/write）：

运行

ssize_t write(int fd, const void* buf, size_t nbytes);  // 发送数据
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbyte);         // 接收数据

返回实际读写的字节数，出错返回 - 1。

TCP 专用（send/recv）：

运行

ssize_t send(int s, const void *msg, size_t len, int flags);  // 发送数据
ssize_t recv(int s, void *buf, size_t len, int flags);        // 接收数据

仅用于已连接的套接字，flags一般为 0。

其他函数：readv/writev、recvmsg/sendmsg、recvfrom/sendto等。

总结

网络编程核心是通过 Socket 接口实现 TCP/UDP 通信，需关注字节序转换、地址绑定、连接管理及数据收发等环节，根据应用场景选择合适的协议（TCP 适用于可靠传输，UDP 适用于实时性要求高的场景）。

Linux文件、进程、网络编程全解析，自制笔记一万字！！

文件编程

内容概览

应用场景

文件操作对比

Linux 文件操作 API

打开 / 创建文件

写入文件

读取文件

文件 “光标” 位置（lseek）

关闭文件（close）

文件描述符

文件编程一般步骤

Linux 文件管理简述

文件编程练手

其他问题

扩展概念

进程

进程关键概念

问题与解答

进程创建实战

进程退出

等待子进程

孤儿进程

exec族函数

system函数

popen函数

其他参考链接

网络编程

TCP/UDP 对比

端口号作用

字节序

服务器与客户端交互基础

Socket 服务器和客户端开发步骤

关键函数与结构

总结

文件 “光标” 位置（`lseek`）

关闭文件（`close`）

`exec`族函数

`system`函数

`popen`函数