135 Linux 系统编程12，linux命令重定向，dup 和dup2，fcntl实现dup和dup2 ，进程和程序概念，虚拟内存和物理内存映射关系，pcb进程块详解，linux环境变量

原创 已于 2025-01-11 18:29:38 修改 · 1k 阅读 · 23 ·
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#linux #运维 #服务器

于 2024-02-28 14:09:20 首次发布

一 linux 命令中重定向，使用>实现

通过 大于号  将前面的内容写入到某一个地方

cat main.c > b.txt   //cat main 本身的意思是 显示main.c的值，后面加上 > b.txt 会将显示在屏幕上的字符全部写到b.txt中

例子：将 ls -l 的内容 通过重定向 保存到 list.txt中

hunandede@hunandede-virtual-machine:~$ ls -l > list.txt
hunandede@hunandede-virtual-machine:~$ cat list.txt 
total 80
drwxrwxr-x  2 hunandede hunandede 4096 2月  20 18:55 aaa
drwxrwxr-x  4 hunandede hunandede 4096 2月  21 15:16 day02
drwxrwxr-x 11 hunandede hunandede 4096 2月  23 17:47 day03
drwxrwxr-x  2 hunandede hunandede 4096 2月  28 08:19 day04
drwxr-xr-x  2 hunandede hunandede 4096 1月  23 21:50 Desktop
drwxr-xr-x  3 hunandede hunandede 4096 1月  23 23:28 Documents
drwxr-xr-x  2 hunandede hunandede 4096 1月  23 21:50 Downloads
-rw-r--r--  1 hunandede hunandede 8980 1月  23 20:24 examples.desktop
drwxrwxr-x  2 hunandede hunandede 4096 2月  20 17:39 head
-rw-rw-r--  1 hunandede hunandede    0 2月  28 08:23 list.txt
drwxr-xr-x  2 hunandede hunandede 4096 1月  23 21:50 Music
drwxrwxr-x  2 hunandede hunandede 4096 1月  23 23:47 mydocument
drwxrwxr-x  3 hunandede hunandede 4096 2月  19 14:05 nginx
drwxr-xr-x  2 hunandede hunandede 4096 1月  23 21:50 Pictures
drwxrwxr-x  3 hunandede hunandede 4096 2月  23 00:40 projects
drwxr-xr-x  2 hunandede hunandede 4096 1月  23 21:50 Public
drwxr-xr-x  2 hunandede hunandede 4096 1月  23 21:50 Templates
drwxr-xr-x  2 hunandede hunandede 4096 1月  23 21:50 Videos
drwxr-xr-x  3 hunandede hunandede 4096 1月  23 21:04 下载

二 dup 和dup2 函数 重点是dup2函数的理解和应用

重定向对象的函数就是 dup 和dup2

dup 函数 dup函数主要是将 参数fd 拷贝一份，有就是让 多个fd 指向同一个文件

函数原型

       #include <unistd.h>

       int dup(int oldfd);
       
 

函数意思

The  dup()  system  call  creates  a copy of the file descriptor oldfd,

dup函数主要是将 参数fd 拷贝一份，有就是让 多个fd 指向同一个文件

返回值：

成功，返回可以使用的新的值

失败，返回-1，errno被设置

RETURN VALUE
       On success, these system calls return the new descriptor.  On error, -1
       is returned, and errno is set appropriately.
 

例子：

void duptest() {
    const char* filepath = "/home/hunandede/linuxxitongbiancheng/functest/duptest.txt";
    int fd = open(filepath, O_RDWR | O_CREAT, 0664);
    int newfd = dup(fd);
    char* writebuf = "nihao linux dup func test";
    int realsize = strlen(writebuf);
    cout << " C++ fd = " << fd
        << "  newfd = " << newfd
        << "   realsize = " << realsize << endl;
    printf("C fd =%d ,newfd =%d, realsize=%d \n", fd,newfd,realsize);

    write(newfd, writebuf, realsize);
    write(newfd, "\n", 1);
    write(newfd, "=====\n",6);

    write(fd,"abc\n",4);

    close(fd);
    close(newfd);
}

dup2 函数 重点,让第二个参数也指向第一个参数指向的数据

函数原型

       #include <unistd.h>

int dup2(int oldfd, int newfd);

函数参数

oldfd 

newfd

函数意义：

使用oldfd 的值 替换 newfd的值

也就是说newfd也会指向oldfd的内容

返回值

成功的话，返回newfd 的值，失败返回-1，errno 被设置。

例子验证：

void dup2test2() {
    write(STDOUT_FILENO, "before\n", 7);
    const char* filepath3 = "/home/hunandede/linuxxitongbiancheng/functest/dup2test3.txt";
    const char* filepath4 = "/home/hunandede/linuxxitongbiancheng/functest/dup2test4.txt";
    int fd3 = open(filepath3, O_RDWR | O_CREAT, 0664);
    int fd4 = open(filepath4, O_RDWR | O_CREAT, 0664);
    int ret = dup2(fd3, fd4); //让fd4的指针 和 fd3指向的一样，那么给fd4 写数据，就会写给fd3指向的 文件
    ret = dup2(fd3, STDOUT_FILENO);//让STDOUT_FILENO的指针 和fd3 指向的一样，那个给 STDOUT_FILENO写数据，就会写到 fd3上

    write(fd3, "aaa", 3);
    write(STDOUT_FILENO, "CCC\n", 4);
    close(fd3);
    close(fd4);
}

dup例子

//dup例子

int main(int argc , char * argv[]) {
	int  ret = 0;
	//int fd = open(argv[1], O_RDWR);
	int fd = open("/home/hunandede/projects/linuxcpp/main.cpp", O_RDWR);
	//int fd = open("/home/hunandede/projects/linuxcpp/dict.txt", O_RDWR);
	if(fd == -1)
	{
		perror("open file fail \n");
		ret = fd;
		return ret;
	}
	int fd2 = dup(fd);
	if (fd2==-1) {
		perror("dup fd error");
		ret = fd2;
		return ret;
	}
	printf("fd = %d,fd2 = %d\n",fd,fd2);

	//那么这里可以通过fd2读取fd中的数据吗？测试一下
	//测试中，我们发现，第一个bufread 前三个字符是 -17 -69 -65， 这是UTF-8格式的前三位，
	char bufread[10] = { 0 };
	ret = read(fd2,bufread,10);

	if (ret<0) {
		perror("read fd2 error\n");
		return ret;
	}
	else {
		cout << bufread << endl;
	}

	bufread[10] = { 0 };
	ret = read(fd2, bufread, 10);

	if (ret < 0) {
		perror("read fd2 error\n");
		return ret;
	}
	else {
		cout << bufread << endl;
	}

	//前面使用fd2都是可以读取到的，且第二次读取会紧挨着第一次读取到的位置
	//那么我们接着从fd读，是否可以呢？结果是可以的，那么我们要close 的时候，要close几次呢？

	bufread[10] = { 0 };
	ret = read(fd, bufread, 10);

	if (ret < 0) {
		perror("read fd error\n");
		return ret;
	}
	else {
		cout << bufread << endl;
	}

	ret= close(fd);
	cout << "start close rer " << ret<<  endl;
	ret = close(fd2);
	cout << "end close ret " << ret <<endl;
	return 0;
}

dup2例子

//dup2例子,注意两个问题：
//1.open几个file，就要close几个file
//2.如果使用不同的fd，对同一个文件，进行读写，那么读取的位置不会发生变化，每次都在上一次读取的位置停留

int main() {

	int ret = 0;
	int fd = open("/home/hunandede/projects/linuxcpp/main.cpp", O_RDWR);
	int fd2 = open("/home/hunandede/projects/linuxcpp/dict.txt", O_RDWR);
	cout << fd << "  " << fd2 << endl;

//fd中的内容替换了fd2中的内容，fd还是3，fd2还是4，
//不过是fd2指向的已经变成fd的指向了
		ret = dup2(fd,fd2);
	cout << "after " << fd << "  " << fd2 << endl;
	char readbuf[10] = { 0 };
	read(fd2,readbuf,10);
	cout << readbuf << endl;

	readbuf[10] = { 0 };
	read(fd2, readbuf, 10);
	cout << readbuf << endl;

	readbuf[10] = { 0 };
	read(fd, readbuf, 10);
	cout << readbuf << endl;

	ret = close(fd);
	cout << "ret = " << ret << endl;
	ret = close(fd2);
	cout << "retaaa = " << ret << endl;


	return 0;
}

三 fcntl实现dup 和 dup2 知道就行

//fcntl实现dup, 知道有这种写法就行
int main() {
	cout << "start " << endl;
	int fd = open("/home/hunandede/projects/linuxcpp/main.cpp", O_RDWR);
	int fd2 = fcntl(fd,F_DUPFD,0);
cout << fd << "  " << fd2 << endl;    
//最后一个参数，表示我们想要的fd的值，
但是fd2结果为 4，
这是因为0，已经被占用，
系统默认给一个可以使用的空闲的fd。

	int fd3 = fcntl(fd,F_DUPFD,7);//结果为7 这是因为7没有被使用
	char readbuf[10] = { 0 };
	read(fd2, readbuf, 10);
	cout << readbuf << endl;

	readbuf[10] = { 0 };
	read(fd2, readbuf, 10);
	cout << readbuf << endl;


	readbuf[10] = { 0 };
	read(fd, readbuf, 10);
	cout << readbuf << endl;

	int ret = close(fd);
	cout << "ret = " << ret << endl;

	ret = close(fd2);//clost 这个也不会error，成功关闭。
	cout << "retaaa = " << ret << endl;
	return 0;
}

四，进程和程序，

程序和进程

程序，是指编译好的二进制文件，在磁盘上存放

           不占用系统资源(cpu、内存、打开的文件、设备、锁....)

进程，是一个抽象的概念，与操作系统原理联系紧密。进程是活跃的程序，占用系统资源。在内存中执行。(程序运行起来，产生一个进程)

程序 → 剧本(纸) 进程 → 戏(舞台、演员、灯光、道具...)

同一个剧本可以在多个舞台同时上演。同样，同一个程序也可以加载为不同的进程(彼此之间互不影响)

如：同时开两个终端。各自都有一个bash但彼此ID不同。

五 多道程序设计： 了解

我们会一边看小说，一边听歌，这说明计算机 在 同时的进行两个不同的进程，一个QQ小说，一个千千静听

那么计算机是怎么做到的呢？

在单核CPU 的年代，是通过

它们在管理程序控制之下，相互穿插的运行。多道程序设计必须有硬件基础作为保证。

时钟中断即为多道程序设计模型的理论基础。 并发时，任意进程在执行期间都不希望放弃cpu。因此系统需要一种强制让进程让出cpu资源的手段。时钟中断有硬件基础作为保障，对进程而言不可抗拒。 操作系统中的中断处理函数，来负责调度程序执行。

在多道程序设计模型中，多个进程轮流使用CPU (分时复用CPU资源)。而当下常见CPU为纳秒级，1秒可以执行大约10亿条指令。由于人眼的反应速度是毫秒级，所以看似同时在运行。

1s = 1000ms, 1ms = 1000us, 1us = 1000ns    1000000000

实质上，并发是宏观并行，微观串行！

六 虚拟内存和物理内存映射关系

cpu执行代码的大致逻辑如下

我们在这里是要知道这个 MMU，MMU存在于CPU 的内部，是一个计算机的硬件，

主要功能是：

虚拟地址到物理地址的转换（即虚拟内存管理）、 我们在这里，主要了解这个功能

内存保护、也就是 修改 内存 访问级别。我们在这里，还需要了解这个功能

中央处理器高速缓存的控制  我们在这里，暂时不需要了解这个功能

关于 虚拟内存地址到 物理内存地址的转换

那么这个物理内存和虚拟内存分别指的是什么？他们又是怎么映射的呢？

当每一个程序跑起来的时候，就会给这个程序一个虚拟的内存，如下图左边的部分，

物理内存就是我们买电脑时配置的那块内存，当前假设是512M的金士顿的内存条

物理内存和虚拟内存通过MMU 这个中间翻译官进行映射

好，我们把上图再完善一下，当同时有两个进程 a.out  和 b.out 跑起来的情况

最终图：

对于 a.out的kernel 空间的内存通过MMU 内存映射后在物理内存上的区域  和  b.out 的kernel空间的内存通过 MMU内存映射后在屋里内存上的区域是同一块 区域。。

对于 a.out的user 空间的内存通过MMU 内存映射后在物理内存上的区域  和  b.out 的user 空间的内存通过 MMU内存映射后在屋里内存上的区域 不是同一块 区域。

为什么kernal 的内存就在同一块区域呢？原因是：linux的内核就只有一块共同的区域。因此所有的程序进程的kernel 就只能在这块区域。

也正是不同的进程的kernel中的元素 通过 MMU 最后 映射的物理内存是在 同一片 区域的，因此才有后面学习的进程间通讯的内容，不然怎么通讯呢？

关于 内存保护、也就是 修改 内存 访问级别

从前面的图我们了解到，如果是从user 区域的数据，通过MMU 映射到物理内存

如果是从kernel区域的数据，通过MMU也是映射到物理内存。

那么映射的这个物理内存是怎么区分的呢？

实际上 是MMU做了事情，如果MMU发现你的变量是从user 区域过来的，则在映射成物理内存的时候，会给这个物理内存映射成3级

如果MMU发现你的变量是从kernel 区域过来的，则在映射成物理内存的时候，会给这个物理内存映射成0级

当我们使用write 函数要从user 写到kernel的时候，MMU会将这个3级转化成0级，慢就慢在这里。慢在转化的这个过程。

七 pcb进程块详解
 

我们知道，每个进程在内核中都有一个进程控制块（PCB）来维护进程相关的信息，Linux内核的进程控制块在代码上是task_struct结构体。

/usr/src/linux-headers-3.16.0-30/include/linux/sched.h文件中可以查看struct task_struct 结构体定义。其内部成员有很多，我们重点掌握以下部分即可：

* 进程id。系统中每个进程有唯一的id，在C语言中用pid_t类型表示，其实就是一个非负整数。

* 进程的状态，有 初始态 就绪、运行、挂起、停止等状态。

* 进程切换时需要保存和恢复的一些CPU寄存器。例如正在计算a.out的一些数据，这时候时钟滴答到了，那么a.out 就要放弃CPU,这时候需要保存a.out 正在计算的状态。

* 描述虚拟地址空间的信息。

* 描述控制终端的信息。

* 当前工作目录（Current Working Directory）。

* umask掩码。

* 文件描述符表，包含很多指向file结构体的指针。

* 和信号相关的信息。

* 用户id和组id。

* 会话（Session）和进程组。

* 进程可以使用的资源上限（Resource Limit）。

进程状态图如下：

八 linux 相关的环境变量

8.0  环境变量的位置

8.1 使用 env命令查看所有的环境变量

常用的环境变量

LD_LIBRARY_PATH： 动态连接器

PATH： 记录可执行文件目录位置的

SHELL： 记录当前使用的解释器是那个

TERM：当前终端类型是啥，也就是那个黑框框类型是啥，在图形界面终端下它的值是xterm，终端类型决定了一些程序的输出显示方式。比如图形界面终端可以显示汉字，而字符终端一般不行。

LANG 语言和local，决定了字符编码以及时间，货币等信息的显示形式

HOME 当前用户主目录的路径，很多程序需要在主目录下保存配置文件，使得每个用户在运行该程序时都有自己的一套配置。

8.2 使用 echo $xxx 查看某一个具体的环境变量

echo 是回显的意思，如下的语句是显示PATH环境变量的值

echo $PATH

8.3 代码获取 环境变量，getenv函数

获取环境变量值

    char *getenv(const char *name); 成功：返回环境变量的值；失败：NULL (name不存在)

练习：编程实现getenv函数。  【getenv.c】

8.4 设置 环境变量 ，setenv函数

设置环境变量的值

    int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite);   成功：0；失败：-1

参数overwrite取值： 1：覆盖原环境变量

0：不覆盖。(该参数常用于设置新环境变量，如：ABC = haha-day-night)

8.5 删除环境变量的定义， unsetenv函数

    int unsetenv(const char *name); 成功：0；失败：-1

注意事项：name不存在仍返回0(成功)，当name命名为"ABC="时则会出错。

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