Linux下的C編程實(shí)戰(zhàn)（一）

――開發(fā)平臺(tái)搭建

1.引言

    Linux操作系統(tǒng)在服務(wù)器領(lǐng)域的應(yīng)用和普及已經(jīng)有較長的歷史，這源于它的開源特點(diǎn)以及其超越Windows的安全性和穩(wěn)定性。而近年來，Linux操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的延伸也可謂是如日中天，許多版本的嵌入式Linux系統(tǒng)被開發(fā)出來，如ucLinux、RTLinux、ARM-Linux等等。在嵌入式操作系統(tǒng)方面，Linux的地位是不容懷疑的，它開源、它包含TCP/IP協(xié)議棧、它易集成GUI。

    鑒于Linux操作系統(tǒng)在服務(wù)器和嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域愈來愈廣泛的應(yīng)用，社會(huì)上越來越需要基于Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行編程的開發(fā)人員。瀏覽許多論壇，經(jīng)常碰到這樣的提問：“現(xiàn)在是不是很流行unix/linux下的c編程？所以想學(xué)習(xí)一下！但是不知道該從何學(xué)起，如何下手！有什么好的建議嗎？各位高手！哪些書籍比較合適初學(xué)者？在深入淺出的過程中應(yīng)該看哪些不同層次的書？比如好的網(wǎng)站、論壇請(qǐng)大家賜教！不慎感激！”鑒于讀者的需求，在本文中，筆者將對(duì)Linux平臺(tái)下C編程的幾個(gè)方面進(jìn)行實(shí)例講解，并力求回答讀者們關(guān)心的問題，以與讀者朋友們進(jìn)行交流，共同提高。在本文的連載過程中，有任何問題或建議，您可以給筆者發(fā)送email：21cnbao@21cn.com，您也可以進(jìn)入筆者的博客參與討論：

http://blog.donews.com/21cnbao。筆者建議在PC內(nèi)存足夠大的情況下，不要直接安裝Linux操作系統(tǒng)，最好把它安裝在運(yùn)行VMWare虛擬機(jī)軟件的Windows平臺(tái)上.

    在Linux平臺(tái)下，可用任意一個(gè)文本編輯工具編輯源代碼，但筆者建議使用emacs軟件，它具備語法高亮、版本控制等附帶功能.

2.GCC編譯器

    GCC是Linux平臺(tái)下最重要的開發(fā)工具，它是GNU的C和C++編譯器，其基本用法為：

gcc [options] [filenames]

options為編譯選項(xiàng)，GCC總共提供的編譯選項(xiàng)超過100個(gè)，但只有少數(shù)幾個(gè)會(huì)被頻繁使用，   我們僅對(duì)幾個(gè)常用選項(xiàng)進(jìn)行介紹。

假設(shè)我們編譯一輸出“Hello World”的程序：

/* Filename:helloworld.c */

main()

{

    printf("HelloWorld"n");

}

最簡單的編譯方法是不指定任何編譯選項(xiàng)：

gcc helloworld.c

它會(huì)為目標(biāo)程序生成默認(rèn)的文件名a.out，我們可用-o編譯選項(xiàng)來為將產(chǎn)生的可執(zhí)行文件指定一個(gè)文件名來代替a.out。例如，將上述名為helloworld.c的C程序編譯為名叫helloworld的可執(zhí)行文件，需要輸入如下命令：

gcc –o helloworld helloworld.c

-c選項(xiàng)告訴GCC僅把源代碼編譯為目標(biāo)代碼而跳過匯編和連接的步驟；

-S 編譯選項(xiàng)告訴GCC 在為 C代碼產(chǎn)生了匯編語言文件后停止編譯。

GCC 產(chǎn)生的匯編語言文件的缺省擴(kuò)展名是.s，上述程序運(yùn)行如下命令：

gcc –S helloworld.c將生成helloworld.c的匯編代碼，使用的是AT&T匯編。

-E選項(xiàng)指示編譯器僅對(duì)輸入文件進(jìn)行預(yù)處理。當(dāng)這個(gè)選項(xiàng)被使用時(shí)，預(yù)處理器的輸出被送到標(biāo)準(zhǔn)輸出（默認(rèn)為屏幕）而不是儲(chǔ)存在文件里。

-O選項(xiàng)告訴GCC對(duì)源代碼進(jìn)行基本優(yōu)化從而使得程序執(zhí)行地更快；而-O2選項(xiàng)告訴GCC產(chǎn)生盡可能小和盡可能快的代碼。使用-O2選項(xiàng)編譯的速度比使用-O時(shí)慢，但產(chǎn)生的代碼執(zhí)行速度會(huì)更快。

-g選項(xiàng)告訴GCC產(chǎn)生能被GNU調(diào)試器使用的調(diào)試信息以便調(diào)試你的程序，可喜的是，在GCC里，我們能聯(lián)用-g和-O (產(chǎn)生優(yōu)化代碼)。

-pg選項(xiàng)告訴GCC在你的程序里加入額外的代碼，執(zhí)行時(shí)，產(chǎn)生gprof用的剖析信息以顯示你的程序的耗時(shí)情況。

3.GDB調(diào)試器

    GCC用于編譯程序，而Linux的另一個(gè)GNU工具gdb則用于調(diào)試程序。gdb是一個(gè)用來調(diào)試C和C++程序的強(qiáng)力調(diào)試器，我們能通過它進(jìn)行一系列調(diào)試工作，包括設(shè)置斷點(diǎn)、觀查變量、單步等。

其最常用的命令如下：

file：裝入想要調(diào)試的可執(zhí)行文件。

kill：終止正在調(diào)試的程序。

list：列表顯示源代碼。

next：執(zhí)行一行源代碼但不進(jìn)入函數(shù)內(nèi)部。

step：執(zhí)行一行源代碼而且進(jìn)入函數(shù)內(nèi)部。

run：執(zhí)行當(dāng)前被調(diào)試的程序

quit：終止gdb

watch：監(jiān)視一個(gè)變量的值

break：在代碼里設(shè)置斷點(diǎn)，程序執(zhí)行到這里時(shí)掛起

make：不退出gdb而重新產(chǎn)生可執(zhí)行文件

shell：不離開gdb而執(zhí)行shell

下面我們來演示怎樣用GDB來調(diào)試一個(gè)求0+1+2+3+…+99的程序：

/* Filename:sum.c */

main()

{

  int i, sum;

  sum = 0;

  for (i = 0; i < 100;i++)

  {

    sum +  =i;

  }

  printf("the sum of 1+2+...+ is %d",sum);

}

執(zhí)行如下命令編譯sum.c（加-g選項(xiàng)產(chǎn)生debug信息）：

gcc –g –o sum sum.c

在命令行上鍵入gdb sum并按回車鍵就可以開始調(diào)試sum了，再運(yùn)行run命令執(zhí)行sum，屏幕上將看到如下內(nèi)容：

list命令：

list命令用于列出源代碼，對(duì)上述程序兩次運(yùn)行l(wèi)ist，將出現(xiàn)如下畫面（源代碼被標(biāo)行號(hào)）：

根據(jù)列出的源程序，如果我們將斷點(diǎn)設(shè)置在第5行，只需在gdb 命令行提示符下鍵入如下命令設(shè)置斷點(diǎn)：(gdb) break 5，執(zhí)行情況如下圖：

這個(gè)時(shí)候我們?cè)賠un，程序會(huì)停止在第5行，如下圖：

設(shè)置斷點(diǎn)的另一種語法是 break <function>，它在進(jìn)入指定函數(shù)（function）時(shí)停住。

相反的，clear用于清除所有的已定義的斷點(diǎn)，clear <function>清除設(shè)置在函數(shù)上的斷點(diǎn)，  clear <linenum>則清除設(shè)置在指定行上的斷點(diǎn)

。

watch命令：

watch命令用于觀查變量或表達(dá)式的值，我們觀查sum變量只需要運(yùn)行watch sum：

watch <expr>為表達(dá)式（變量）expr設(shè)置一個(gè)觀察點(diǎn)，一量表達(dá)式值有變化時(shí)，程序會(huì)停止執(zhí)行。

要觀查當(dāng)前設(shè)置的watch，可以使用info watchpoints命令。

next、step命令：

next、step用于單步執(zhí)行，在執(zhí)行的過程中，被watch變量的變化情況將實(shí)時(shí)呈現(xiàn)(分別顯示Old value和New value)，如下圖：

next、step命令的區(qū)別在于step遇到函數(shù)調(diào)用，會(huì)跳轉(zhuǎn)到到該函數(shù)定義的開始行去執(zhí)行，而next則不進(jìn)入到函數(shù)內(nèi)部，它把函數(shù)調(diào)用語句當(dāng)作一條普通語句執(zhí)行。

4.Make

    make是所有想在Linux系統(tǒng)上編程的用戶必須掌握的工具，對(duì)于任何稍具規(guī)模的程序，我們都會(huì)使用到make，幾乎可以說不使用make的程序不具備任何實(shí)用價(jià)值。在此，我們有必要解釋編譯和連接的區(qū)別。編譯器使用源碼文件來產(chǎn)生某種形式的目標(biāo)文件(object files)，在編譯過程中，外部的符號(hào)參考并沒有被解釋或替換（即外部全局變量和函數(shù)并沒有被找到）。因此，在編譯階段所報(bào)的錯(cuò)誤一般都是語法錯(cuò)誤。而連接器則用于連接目標(biāo)文

件和程序包，生成一個(gè)可執(zhí)行程序。在連接階段，一個(gè)目標(biāo)文件中對(duì)別的文件中的符號(hào)的參考被解釋，如果有符號(hào)不能找到，會(huì)報(bào)告連接錯(cuò)誤。

    編譯和連接的一般步驟是：第一階段把源文件一個(gè)一個(gè)的編譯成目標(biāo)文件，第二階段把所有的目標(biāo)文件加上需要的程序包連接成一個(gè)可執(zhí)行文件。這樣的過程很痛苦，我們需要使用大量的gcc命令。而make則使我們從大量源文件的編譯和連接工作中解放出來，綜合為一步完成。GNU Make的主要工作是讀進(jìn)一個(gè)文本文件，稱為makefile。這個(gè)文件記錄了哪些文件（目的文件，目的文件不一定是最后的可執(zhí)行程序，它可以是任何一種文件）由哪些文件（依靠文件）產(chǎn)生，用什么命令來產(chǎn)生。Make依靠此makefile中的信息檢查磁盤上的文件，如果目的文件的創(chuàng)建或修改時(shí)間比它的一個(gè)依靠文件舊的話，make就執(zhí)行相應(yīng)的命令，以便更新目的文件。

    假設(shè)我們寫下如下的三個(gè)文件，add.h用于聲明add函數(shù)，add.c提供兩個(gè)整數(shù)相加的函數(shù)體，而main.c中調(diào)用add函數(shù)：

/* filename:add.h */

extern int add(int i, int j);

/* filename:add.c */

int add(int i, int j)

{

  return i + j;

};

/* filename:main.c */

#include "add.h"

main()

{

  int a, b;

  a = 2;

  b = 3;

  printf("the sum of a+b is %d", add(a +b));

};

怎樣為上述三個(gè)文件產(chǎn)生makefile呢？如下：
-------------------------
test : main.o add.o
    gcc main.o add.o -o test
 
main.o : main.c add.h
    gcc -c main.c -o main.o
 
add.o : add.c add.h
    gcc -c add.c -o add.o 
-----------------------

(注意分割符為TAB鍵）

上述makefile利用add.c和add.h文件執(zhí)行g(shù)cc -c add.c -o add.o命令產(chǎn)生add.o目標(biāo)代碼，利用main.c和add.h文件執(zhí)行g(shù)cc-c main.c -o

main.o命令產(chǎn)生main.o目標(biāo)代碼，最后利用main.o和add.o文件（兩個(gè)模塊的目標(biāo)代碼）執(zhí)行g(shù)cc main.o add.o -o test命令產(chǎn)生可執(zhí)行文件test。

    我們可在makefile中加入變量，另外。環(huán)境變量在make過程中也被解釋成make的變量。這些變量是大小寫敏感的，一般使用大寫字母。Make變量可以做很多事情，例如：

i) 存儲(chǔ)一個(gè)文件名列表；

ii) 存儲(chǔ)可執(zhí)行文件名；

iii) 存儲(chǔ)編譯器選項(xiàng)。

要定義一個(gè)變量，只需要在一行的開始寫下這個(gè)變量的名字，后面跟一個(gè)=號(hào)，再跟變量的值。引用變量的方法是寫一個(gè)$符號(hào)，后面跟（變量名）。我們把前面的 makefile 利用變量重寫一遍（并假設(shè)使用-Wall -O –g編譯選項(xiàng)）：     

OBJS = main.o add.o

CC = gcc

CFLAGS = -Wall -O -g

test : $(OBJS)

$(CC) $(OBJS) -o test

main.o : main.c add.h

$(CC) $(CFLAGS) -c main.c -o main.o

add.o : add.c add.h

$(CC) $(CFLAGS) -c add.c -o add.o

makefile 中還可定義清除（clean）目標(biāo)，可用來清除編譯過程中產(chǎn)生的中間文件，例如在上述makefile文件中添加下列代碼：

clean:

rm -f *.o

運(yùn)行make clean時(shí)，將執(zhí)行rm -f *.o命令，刪除所有編譯過程中產(chǎn)生的中間文件。

不管怎么說，自己動(dòng)手編寫makefile仍然是很復(fù)雜和煩瑣的，而且很容易出錯(cuò)。因此，GNU也為我們提供了Automake和Autoconf來輔助快速自動(dòng)產(chǎn)生makefile，讀者可以參閱相關(guān)資料。

5.小結(jié)

本章主要闡述了Linux程序的編寫、編譯、調(diào)試方法及make，實(shí)際上就是引導(dǎo)讀者學(xué)習(xí)怎樣在Linux下編程，為后續(xù)章節(jié)做好準(zhǔn)備。

Linux下的C編程實(shí)戰(zhàn)（二）

――文件系統(tǒng)編程

1.Linux文件系統(tǒng)

    Linux支持多種文件系統(tǒng)，如ext、ext2、minix、iso9660、msdos、fat、vfat、nfs等。在這些具體文件系統(tǒng)的上層，Linux提供了虛擬文件系統(tǒng)（VFS）來統(tǒng)一它們的行為，虛擬文件系統(tǒng)為不同的文件系統(tǒng)與內(nèi)核的通信提供了一致的接口。

    在Linux平臺(tái)下對(duì)文件編程可以使用兩類函數(shù)：

（1）Linux操作系統(tǒng)文件API；

（2）C語言I/O庫函數(shù)。   

前者依賴于Linux系統(tǒng)調(diào)用，后者實(shí)際上與操作系統(tǒng)是獨(dú)立的，因?yàn)樵谌魏尾僮飨到y(tǒng)下，使用C語言I/O庫函數(shù)操作文件的方法都是相同的。本章將對(duì)這兩種方法進(jìn)行實(shí)例講解。

2.Linux文件API

    Linux的文件操作API涉及到創(chuàng)建、打開、讀寫和關(guān)閉文件。

創(chuàng)建

int creat(const char *filename, mode_t mode);

參數(shù)mode指定新建文件的存取權(quán)限，它同umask一起決定文件的最終權(quán)限（mode&umask），其中umask代表了文件在創(chuàng)建時(shí)需要去掉的一些存取權(quán)限。umask可通過系統(tǒng)調(diào)用umask()來改變：

int umask(int newmask);

該調(diào)用將umask設(shè)置為newmask，然后返回舊的umask，它只影響讀、寫和執(zhí)行權(quán)限。

打開

int open(const char *pathname, int flags);

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

open函數(shù)有兩個(gè)形式，其中pathname是我們要打開的文件名(包含路徑名稱，缺省是認(rèn)為在當(dāng)前路徑下面)，

flags可以去下面的一個(gè)值或者是幾個(gè)值的組合：

標(biāo)志
 含義
 
O_RDONLY
 以只讀的方式打開文件
 
O_WRONLY
 以只寫的方式打開文件
 
O_RDWR
 以讀寫的方式打開文件
 
O_APPEND
 以追加的方式打開文件
 
O_CREAT
 創(chuàng)建一個(gè)文件
 
O_EXEC
 如果使用了O_CREAT而且文件已經(jīng)存在，就會(huì)發(fā)生一個(gè)錯(cuò)誤
 
O_NOBLOCK
 以非阻塞的方式打開一個(gè)文件
 
O_TRUNC
 如果文件已經(jīng)存在，則刪除文件的內(nèi)容
 

O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR三個(gè)標(biāo)志只能使用任意的一個(gè)。

如果使用了O_CREATE標(biāo)志，則使用的函數(shù)是int open(const char*pathname,int flags,mode_t mode); 這個(gè)時(shí)候我們還要指定mode標(biāo)志，用來表示文件的訪問權(quán)限。mode可以是以下情況的組合：

標(biāo)志
 含義
 
S_IRUSR
 用戶可以讀
 
S_IWUSR
 用戶可以寫
 
S_IXUSR
 用戶可以執(zhí)行
 
S_IRWXU
 用戶可以讀、寫、執(zhí)行
 
S_IRGRP
 組可以讀
 
S_IWGRP
 組可以寫
 
S_IXGRP
 組可以執(zhí)行
 
S_IRWXG
 組可以讀寫執(zhí)行
 
S_IROTH
 其他人可以讀
 
S_IWOTH
 其他人可以寫
 
S_IXOTH
 其他人可以執(zhí)行
 
S_IRWXO
 其他人可以讀、寫、執(zhí)行
 
S_ISUID
 設(shè)置用戶執(zhí)行ID
 
S_ISGID
 設(shè)置組的執(zhí)行ID
 

除了可以通過上述宏進(jìn)行“或”邏輯產(chǎn)生標(biāo)志以外，我們也可以自己用數(shù)字來表示，Linux總共用5個(gè)數(shù)字來表示文件的各種權(quán)限：第一位表示設(shè)置用戶ID；第二位表示設(shè)置組ID；第三位表示用戶自己的權(quán)限位；第四位表示組的權(quán)限；最后一位表示其他人的權(quán)限。每個(gè)數(shù)字可以取1(執(zhí)行權(quán)限)、2(寫權(quán)限)、4(讀權(quán)限)、0(無)或者是這些值的和。例如，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)用戶可讀、可寫、可執(zhí)行，但是組沒有權(quán)限，其他人可以讀、可以執(zhí)行的文件，并設(shè)置用戶ID位。那么，我們應(yīng)該使用的模式是1(設(shè)置用戶ID)、0(不設(shè)置組ID)、7(1+2+4，讀、寫、執(zhí)行)、0(沒有權(quán)限)、

5(1+4，讀、執(zhí)行)即10705：

open("test", O_CREAT, 10705);

上述語句等價(jià)于：

open("test", O_CREAT, S_IRWXU | S_IROTH |S_IXOTH | S_ISUID );

如果文件打開成功，open函數(shù)會(huì)返回一個(gè)文件描述符，以后對(duì)該文件的所有操作就可以通過對(duì)這個(gè)文件描述符進(jìn)行操作來實(shí)現(xiàn)。

讀寫

在文件打開以后，我們才可對(duì)文件進(jìn)行讀寫了，Linux中提供文件讀寫的系統(tǒng)調(diào)用是read、write函數(shù)：

int read(int fd, const void *buf, size_t length);

int write(int fd, const void *buf, size_t length);

其中參數(shù)buf為指向緩沖區(qū)的指針，length為緩沖區(qū)的大小（以字節(jié)為單位）。函數(shù)read()實(shí)現(xiàn)從文件描述符fd所指定的文件中讀取length個(gè)字節(jié)到buf所指向的緩沖區(qū)中，返回值為實(shí)際讀取的字節(jié)數(shù)。函數(shù)write實(shí)現(xiàn)將把length個(gè)字節(jié)從buf指向的緩沖區(qū)中寫到文件描述符fd所指向的文件中，返回值為實(shí)際寫入的字節(jié)數(shù)。

以O(shè)_CREAT為標(biāo)志的open實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了文件創(chuàng)建的功能，因此，下面的函數(shù)等同creat()函數(shù)：

int open(pathname, O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, mode);

定位

對(duì)于隨機(jī)文件，我們可以隨機(jī)的指定位置讀寫，使用如下函數(shù)進(jìn)行定位：

int lseek(int fd, offset_t offset, int whence);

lseek()將文件讀寫指針相對(duì)whence移動(dòng)offset個(gè)字節(jié)。操作成功時(shí)，返回文件指針相對(duì)于文件頭的位置。

參數(shù)whence可使用下述值：

SEEK_SET：相對(duì)文件開頭

SEEK_CUR：相對(duì)文件讀寫指針的當(dāng)前位置

SEEK_END：相對(duì)文件末尾

offset可取負(fù)值，例如下述調(diào)用可將文件指針相對(duì)當(dāng)前位置向前移動(dòng)5個(gè)字節(jié)：

lseek(fd, -5, SEEK_CUR);

由于lseek函數(shù)的返回值為文件指針相對(duì)于文件頭的位置，因此下列調(diào)用的返回值就是文件的長度：

lseek(fd, 0, SEEK_END);

關(guān)閉

當(dāng)我們操作完成以后，我們要關(guān)閉文件了，只要調(diào)用close就可以了，其中fd是我們要關(guān)閉的文件描述符：

int close(int fd);

例程：編寫一個(gè)程序，在當(dāng)前目錄下創(chuàng)建用戶可讀寫文件“hello.txt”，在其中寫入“Hello, software weekly”，關(guān)閉該文件。再次打開該文件，讀取其中的內(nèi)容并輸出在屏幕上。

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

#include <stdio.h>

#define LENGTH 100

main()
{

  int fd, len;

  char str[LENGTH];

  /* 創(chuàng)建并打開文件 */

  fd = open("hello.txt", O_CREAT | O_RDWR,S_IRUSR | S_IWUSR); 

  if(fd)  
  {
    /* 寫入Hello, software weekly字符串 */  

     write(fd, "Hello,Software Weekly",strlen("Hello,software weekly")); 

     close(fd);
  }

  fd = open("hello.txt", O_RDWR);

  len = read(fd, str, LENGTH); /* 讀取文件內(nèi)容 */

  str[len] = '"0';

  printf("%s"n", str);

  close(fd);

};

編譯并運(yùn)行，執(zhí)行

3.C語言庫函數(shù)

C庫函數(shù)的文件操作實(shí)際上是獨(dú)立于具體的操作系統(tǒng)平臺(tái)的，不管是在DOS、Windows、Linux還是在VxWorks中都是這些函數(shù)：

創(chuàng)建和打開

FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

fopen()實(shí)現(xiàn)打開指定文件filename，其中的mode為打開模式，C語言中支持的打開模式如下表：

標(biāo)志
 含義
 
r, rb
 以只讀方式打開
 
w, wb
 以只寫方式打開。如果文件不存在，則創(chuàng)建該文件，否則文件被截?cái)?br>  
a, ab
 以追加方式打開。如果文件不存在，則創(chuàng)建該文件
 
r+, r+b, rb+
 以讀寫方式打開
 
w+, w+b, wh+
 以讀寫方式打開。如果文件不存在時(shí)，創(chuàng)建新文件，否則文件被截?cái)?br>  
a+, a+b, ab+
 以讀和追加方式打開。如果文件不存在，創(chuàng)建新文件
 

    其中b用于區(qū)分二進(jìn)制文件和文本文件，這一點(diǎn)在DOS、Windows系統(tǒng)中是有區(qū)分的，但Linux不區(qū)分二進(jìn)制文件和文本文件。

讀寫

C庫函數(shù)支持以字符、字符串等為單位，支持按照某中格式進(jìn)行文件的讀寫，這一組函數(shù)為：

int fgetc(FILE *stream);

int fputc(int c, FILE *stream);

char *fgets(char *s, int n, FILE *stream);

int fputs(const char *s, FILE *stream);

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);

int fscanf (FILE *stream, const char *format, ...);

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t n, FILE*stream);

size_t fwrite (const void *ptr, size_t size, size_t n,FILE *stream);

fread()實(shí)現(xiàn)從流stream中讀取加n個(gè)字段，每個(gè)字段為size字節(jié)，并將讀取的字段放入ptr所指的字符數(shù)組中，返回實(shí)際已讀取的字段數(shù)。在讀取的字段數(shù)小于num時(shí)，可能是在函數(shù)調(diào)用時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，也可能是讀到文件的結(jié)尾。所以要通過調(diào)用feof()和ferror()來判斷。

write()實(shí)現(xiàn)從緩沖區(qū)ptr所指的數(shù)組中把n個(gè)字段寫到流stream中，每個(gè)字段長為size個(gè)字節(jié)，返回實(shí)際寫入的字段數(shù)。

另外，C庫函數(shù)還提供了讀寫過程中的定位能力，這些函數(shù)包括

int fgetpos(FILE *stream, fpos_t *pos);

int fsetpos(FILE *stream, const fpos_t *pos);

int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);

等。

關(guān)閉

利用C庫函數(shù)關(guān)閉文件依然是很簡單的操作：

int fclose (FILE *stream);

例程：將第2節(jié)中的例程用C庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

#include <stdio.h>

#define LENGTH 100

main()

{

  FILE *fd;

  char str[LENGTH];

  fd = fopen("hello.txt", "w+");/* 創(chuàng)建并打開文件 */

  if (fd)

  {

    fputs("Hello, SoftwareWeekly", fd); /* 寫入Hello,software weekly字符串 */

    fclose(fd);

  }

  fd = fopen("hello.txt", "r");

  fgets(str, LENGTH, fd); /* 讀取文件內(nèi)容 */

  printf("%s"n", str);

  fclose(fd);

}

4.小結(jié)

     Linux提供的虛擬文件系統(tǒng)為多種文件系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的接口，Linux的文件編程有兩種途徑：基于Linux系統(tǒng)調(diào)用；基于C庫函數(shù)。這兩種編程所涉及到文件操作有新建、打開、讀寫和關(guān)閉，對(duì)隨機(jī)文件還可以定位。本章對(duì)這兩種編程方法都給出了具體的實(shí)例。

Linux下的C編程實(shí)戰(zhàn)（三）

――進(jìn)程控制與進(jìn)程通信編程

1.Linux進(jìn)程

    Linux進(jìn)程在內(nèi)存中包含三部分?jǐn)?shù)據(jù)：代碼段、堆棧段和數(shù)據(jù)段。代碼段存放了程序的代碼。代碼段可以為機(jī)器中運(yùn)行同一程序的數(shù)個(gè)進(jìn)程共享。堆棧段存放的是子程序（函數(shù)）的返回地址、子程序的參數(shù)及程序的局部變量。而數(shù)據(jù)段則存放程序的全局變量、常數(shù)以及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分配的數(shù)據(jù)空間（比如用malloc函數(shù)申請(qǐng)的內(nèi)存）。與代碼段不同，如果系統(tǒng)中同時(shí)運(yùn)行多個(gè)相同的程序，它們不能使用同一堆棧段和數(shù)據(jù)段。

    Linux進(jìn)程主要有如下幾種狀態(tài)：

用戶狀態(tài)（進(jìn)程在用戶狀態(tài)下運(yùn)行的狀態(tài)）、

內(nèi)核狀態(tài)（進(jìn)程在內(nèi)核狀態(tài)下運(yùn)行的狀態(tài)）、

內(nèi)存中就緒（進(jìn)程沒有執(zhí)行，但處于就緒狀態(tài)，只要內(nèi)核調(diào)度它，就可以執(zhí)行）、

內(nèi)存中睡眠（進(jìn)程正在睡眠并且處于內(nèi)存中，沒有被交換到SWAP設(shè)備）、

就緒且換出（進(jìn)程處于就緒狀態(tài)，但是必須把它換入內(nèi)存，內(nèi)核才能再次調(diào)度它進(jìn)行運(yùn)行）、睡眠且換出（進(jìn)程正在睡眠，且被換出內(nèi)存）、

被搶先（進(jìn)程從內(nèi)核狀態(tài)返回用戶狀態(tài)時(shí)，內(nèi)核搶先于它，做了上下文切換，調(diào)度了另一個(gè)       進(jìn)程，原先這個(gè)進(jìn)程就處于被搶先狀態(tài)）、

創(chuàng)建狀態(tài)（進(jìn)程剛被創(chuàng)建，該進(jìn)程存在，但既不是就緒狀態(tài)，也不是睡眠狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)是       除了進(jìn)程0以外的所有進(jìn)程的最初狀態(tài)）、

僵死狀態(tài)（進(jìn)程調(diào)用exit結(jié)束，進(jìn)程不再存在，但在進(jìn)程表項(xiàng)中仍有記錄，該記錄可由父    進(jìn)程收集）。

下面我們來以一個(gè)進(jìn)程從創(chuàng)建到消亡的過程講解Linux進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的“生死因果”。

（1）進(jìn)程被父進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用fork創(chuàng)建而處于創(chuàng)建態(tài)；

（2）fork調(diào)用為子進(jìn)程配置好內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和子進(jìn)程私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，子進(jìn)程進(jìn)入就緒態(tài)（或者在內(nèi)存中就緒，或者因?yàn)閮?nèi)存不夠而在SWAP設(shè)備中就緒）；

（3）若進(jìn)程在內(nèi)存中就緒，進(jìn)程可以被內(nèi)核調(diào)度程序調(diào)度到CPU運(yùn)行；

（4）內(nèi)核調(diào)度該進(jìn)程進(jìn)入內(nèi)核狀態(tài)，再由內(nèi)核狀態(tài)返回用戶狀態(tài)執(zhí)行。該進(jìn)程在用戶狀態(tài)運(yùn)行一定時(shí)間后，又會(huì)被調(diào)度程序所調(diào)度而進(jìn)入內(nèi)核狀態(tài)，由此轉(zhuǎn)入就緒態(tài)。有時(shí)進(jìn)程在用戶狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，也會(huì)因?yàn)樾枰獌?nèi)核服務(wù)，使用系統(tǒng)調(diào)用而進(jìn)入內(nèi)核狀態(tài)，服務(wù)完畢，會(huì)由內(nèi)核狀態(tài)轉(zhuǎn)回用戶狀態(tài)。要注意的是，進(jìn)程在從內(nèi)核狀態(tài)向用戶狀態(tài)返回時(shí)可能被搶占，這是由于有優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程急需使用CPU，不能等到下一次調(diào)度時(shí)機(jī)，從而造成搶占；

（5）進(jìn)程執(zhí)行exit調(diào)用，進(jìn)入僵死狀態(tài)，最終結(jié)束。

2.進(jìn)程控制

    進(jìn)程控制中主要涉及到進(jìn)程的創(chuàng)建、睡眠和退出等，在Linux中主要提供了fork、exec、clone的進(jìn)程創(chuàng)建方法，sleep的進(jìn)程睡眠和exit的進(jìn)程退出調(diào)用，另外Linux還提供了父進(jìn)程等待子進(jìn)程結(jié)束的系統(tǒng)調(diào)用wait。

fork

對(duì)于沒有接觸過Unix/Linux操作系統(tǒng)的人來說，fork是最難理解的概念之一，它執(zhí)行一次卻返回兩個(gè)值，完全“不可思議”。先看下面的程序：

int main()
{
  int i;
  if (fork() == 0)
  {
    for (i = 1; i < 3; i++)
      printf("This is childprocess"n");
  }
  else
  {
    for (i = 1; i < 3; i++)
      printf("This is parentprocess"n");
  }
}

執(zhí)行結(jié)果為：

This is child process

This is child process

This is parent process

This is parent process

fork在英文中是“分叉”的意思，這個(gè)名字取得很形象。一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行中，如果使用了fork，就產(chǎn)生了另一個(gè)進(jìn)程，于是進(jìn)程就“分叉”了。當(dāng)前進(jìn)程為父進(jìn)程，通過fork()會(huì)產(chǎn)生一個(gè)子進(jìn)程。對(duì)于父進(jìn)程，fork函數(shù)返回子程序的進(jìn)程號(hào)而對(duì)于子程序，fork函數(shù)則返回零，這就是一個(gè)函數(shù)返回兩次的本質(zhì)。可以說，fork函數(shù)是Unix系統(tǒng)最杰出的成就之一，它是七十年代Unix早期的開發(fā)者經(jīng)過理論和實(shí)踐上的長期艱苦探索后取得的成果。

如果我們把上述程序中的循環(huán)放的大一點(diǎn)：

int main()
{
  int i;
  if (fork() == 0)
  {
    for (i = 1; i < 10000; i++)
      printf("This is childprocess"n");
  }
  else
  {
    for (i = 1; i < 10000; i++)
      printf("This is parentprocess"n");
  }
};

則可以明顯地看到父進(jìn)程和子進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行，交替地輸出“This ischild process”和“This is parent process”。

此時(shí)此刻，我們還沒有完全理解fork()函數(shù)，再來看下面的一段程序，看看究竟會(huì)產(chǎn)生多少個(gè)進(jìn)程，程序的輸出是什么？

int main()
{
  int i;
  for (i = 0; i < 2; i++)
  {
    if (fork() == 0)
    {
      printf("This is childprocess"n");
    }
    else
    {
      printf("This is parentprocess"n");
    }
  }
};

exec

在Linux中可使用exec函數(shù)族，包含多個(gè)函數(shù)（execl、execlp、execle、execv、execve和execvp），被用于啟動(dòng)一個(gè)指定路徑和文件名的進(jìn)程。

exec函數(shù)族的特點(diǎn)體現(xiàn)在：某進(jìn)程一旦調(diào)用了exec類函數(shù)，正在執(zhí)行的程序就被干掉了，系統(tǒng)把代碼段替換成新的程序（由exec類函數(shù)執(zhí)行）的代碼，并且原有的數(shù)據(jù)段和堆棧段也被廢棄，新的數(shù)據(jù)段與堆棧段被分配，但是進(jìn)程號(hào)卻被保留。也就是說，exec執(zhí)行的結(jié)果為：系統(tǒng)認(rèn)為正在執(zhí)行的還是原先的進(jìn)程，但是進(jìn)程對(duì)應(yīng)的程序被替換了。

fork函數(shù)可以創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程而當(dāng)前進(jìn)程不死，如果我們?cè)趂ork的子進(jìn)程中調(diào)用exec函數(shù)族就可以實(shí)現(xiàn)既讓父進(jìn)程的代碼執(zhí)行又啟動(dòng)一個(gè)新的

指定進(jìn)程，這實(shí)在是很妙的。fork和exec的搭配巧妙地解決了程序啟動(dòng)另一程序的執(zhí)行但自己仍繼續(xù)運(yùn)行的問題，請(qǐng)看下面的例子：

char command[MAX_CMD_LEN];

void main()
{

  int rtn; /* 子進(jìn)程的返回?cái)?shù)值 */
  while (1)
  {
    /* 從終端讀取要執(zhí)行的命令 */
    printf(">");
    fgets(command, MAX_CMD_LEN, stdin);
    command[strlen(command) - 1] = 0;
    if (fork() == 0)
    {
      /* 子進(jìn)程執(zhí)行此命令 */
      execlp(command, command);
      /* 如果exec函數(shù)返回，表明沒有正常執(zhí)行命令，打印錯(cuò)誤信息*/
      perror(command);
      exit(errorno);
    }
    else
    {
      /* 父進(jìn)程，等待子進(jìn)程結(jié)束，并打印子進(jìn)程的返回值 */
      wait(&rtn);
      printf(" child process return%d"n", rtn);
    }
  }
}

這個(gè)函數(shù)基本上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)shell的功能，它讀取用戶輸入的進(jìn)程名和參數(shù)，并啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的進(jìn)程。

clone

clone是Linux2.0以后才具備的新功能，它較fork更強(qiáng)（可認(rèn)為fork是clone要實(shí)現(xiàn)的一部分），可以使得創(chuàng)建的子進(jìn)程共享父進(jìn)程的資源，并且要使用此函數(shù)必須在編譯內(nèi)核時(shí)設(shè)置clone_actually_works_ok選項(xiàng)。

clone函數(shù)的原型為：

int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, intflags, void *arg);

此函數(shù)返回創(chuàng)建進(jìn)程的PID，函數(shù)中的flags標(biāo)志用于設(shè)置創(chuàng)建子進(jìn)程時(shí)的相關(guān)選項(xiàng)，具體含義如下表：

標(biāo)志
 含義
 
CLONE_PARENT
 創(chuàng)建的子進(jìn)程的父進(jìn)程是調(diào)用者的父進(jìn)程，新進(jìn)程與創(chuàng)建它的進(jìn)程成了“兄弟”而不是“父子”
 
CLONE_FS
 子進(jìn)程與父進(jìn)程共享相同的文件系統(tǒng)，包括root、當(dāng)前目錄、umask
 
CLONE_FILES
 子進(jìn)程與父進(jìn)程共享相同的文件描述符（file descriptor）表
 
CLONE_NEWNS
 在新的namespace啟動(dòng)子進(jìn)程，namespace描述了進(jìn)程的文件hierarchy
 
CLONE_SIGHAND
 子進(jìn)程與父進(jìn)程共享相同的信號(hào)處理（signal handler）表
 
CLONE_PTRACE
 若父進(jìn)程被trace，子進(jìn)程也被trace
 
CLONE_VFORK
 父進(jìn)程被掛起，直至子進(jìn)程釋放虛擬內(nèi)存資源
 
CLONE_VM
 子進(jìn)程與父進(jìn)程運(yùn)行于相同的內(nèi)存空間
 
CLONE_PID
 子進(jìn)程在創(chuàng)建時(shí)PID與父進(jìn)程一致
 
CLONE_THREAD
 Linux 2.4中增加以支持POSIX線程標(biāo)準(zhǔn)，子進(jìn)程與父進(jìn)程共享相同的線程群
 

來看下面的例子：

int variable, fd;

int do_something() {

   variable = 42;

   close(fd);

   _exit(0);

}

int main(int argc, char *argv[]) {

   void **child_stack;

   char tempch;

   variable = 9;

   fd = open("test.file", O_RDONLY);

   child_stack = (void **) malloc(16384);

   printf("The variable was%d"n", variable);

   clone(do_something, child_stack,CLONE_VM|CLONE_FILES, NULL);

   sleep(1);   /* 延時(shí)以便子進(jìn)程完成關(guān)閉文件操作、修改變量　*/

   printf("The variable is now%d"n", variable);

   if (read(fd, &tempch, 1) < 1) {

      perror("File ReadError");

      exit(1);

   }

   printf("We could read from thefile"n");

   return 0;

}

運(yùn)行輸出：

The variable is now 42

File Read Error

程序的輸出結(jié)果告訴我們，子進(jìn)程將文件關(guān)閉并將變量修改（調(diào)用clone時(shí)用到的CLONE_VM、CLONE_FILES標(biāo)志將使得變量和文件描述符表被共享），父進(jìn)程隨即就感覺到了，這就是clone的特點(diǎn)。

sleep

函數(shù)調(diào)用sleep可以用來使進(jìn)程掛起指定的秒數(shù)，該函數(shù)的原型為：　　

unsigned int sleep(unsigned int seconds);

該函數(shù)調(diào)用使得進(jìn)程掛起一個(gè)指定的時(shí)間，如果指定掛起的時(shí)間到了，該調(diào)用返回0；如果該函數(shù)調(diào)用被信號(hào)所打斷，則返回剩余掛起的時(shí)間數(shù)（指定的時(shí)間減去已經(jīng)掛起的時(shí)間）。

exit

系統(tǒng)調(diào)用exit的功能是終止本進(jìn)程，其函數(shù)原型為：

void _exit(int status);

_exit會(huì)立即終止發(fā)出調(diào)用的進(jìn)程，所有屬于該進(jìn)程的文件描述符都關(guān)閉。參數(shù)status作為退出的狀態(tài)值返回父進(jìn)程，在父進(jìn)程中通過系統(tǒng)調(diào)用wait可獲得此值。

wait

wait系統(tǒng)調(diào)用包括：

pid_t wait(int *status);

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

wait的作用為發(fā)出調(diào)用的進(jìn)程只要有子進(jìn)程，就睡眠到它們中的一個(gè)終止為止； waitpid等待由參數(shù)pid指定的子進(jìn)程退出。

3.進(jìn)程間通信

Linux的進(jìn)程間通信（IPC，InterProcess Communication）通信方法有:

管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存、信號(hào)量、套接口等。

管道分為有名管道和無名管道，無名管道只能用于親屬進(jìn)程之間的通信，而有名管道則可用于無親屬關(guān)系的進(jìn)程之間。

#define INPUT 0

#define OUTPUT 1

void main()

{

  int file_descriptors[2];

  /*定義子進(jìn)程號(hào) */

  pid_t pid;

  char buf[BUFFER_LEN];

  int returned_count;

  /*創(chuàng)建無名管道*/

  pipe(file_descriptors);

  /*創(chuàng)建子進(jìn)程*/

  if ((pid = fork()) ==  - 1)

  {

    printf("Error infork"n");

    exit(1);

  }

  /*執(zhí)行子進(jìn)程*/

  if (pid == 0)

  {

    printf("in the spawned (child)process..."n");

    /*子進(jìn)程向父進(jìn)程寫數(shù)據(jù)，關(guān)閉管道的讀端*/

    close(file_descriptors[INPUT]);

    write(file_descriptors[OUTPUT],"test data", strlen("test data"));

    exit(0);

  }

  else

  {

    /*執(zhí)行父進(jìn)程*/

    printf("in the spawning (parent)process..."n");

    /*父進(jìn)程從管道讀取子進(jìn)程寫的數(shù)據(jù)，關(guān)閉管道的寫端*/

    close(file_descriptors[OUTPUT]);

    returned_count = read(file_descriptors[INPUT],buf, sizeof(buf));

    printf("%d bytes of data receivedfrom spawned process: %s"n",

      returned_count, buf);

  }

}

上述程序中，無名管道以

int pipe(int filedis[2]);

方式定義，參數(shù)filedis返回兩個(gè)文件描述符filedes[0]為讀而打開，filedes[1]為寫而打開，filedes[1]的輸出是filedes[0]的輸入；

在Linux系統(tǒng)下，有名管道可由兩種方式創(chuàng)建（假設(shè)創(chuàng)建一個(gè)名為“fifoexample”的有名管道）：

（1）mkfifo("fifoexample","rw");

（2）mknod fifoexample p

mkfifo是一個(gè)函數(shù)，mknod是一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，即我們可以在shell下輸出上述命令。

有名管道創(chuàng)建后，我們可以像讀寫文件一樣讀寫之：

/* 進(jìn)程一：讀有名管道*/

void main()

{

  FILE *in_file;

  int count = 1;

  char buf[BUFFER_LEN];

  in_file = fopen("pipeexample","r");

  if (in_file == NULL)

  {

    printf("Error infdopen."n");

    exit(1);

  }

  while ((count = fread(buf, 1, BUFFER_LEN,in_file)) > 0)

    printf("received from pipe:%s"n", buf);

  fclose(in_file);

}

/* 進(jìn)程二：寫有名管道*/

void main()

{

  FILE *out_file;

  int count = 1;

  char buf[BUFFER_LEN];

  out_file = fopen("pipeexample","w");

  if (out_file == NULL)

  {

    printf("Error openingpipe.");

    exit(1);

  }

  sprintf(buf, "this is test data for the namedpipe example"n");

  fwrite(buf, 1, BUFFER_LEN, out_file);

  fclose(out_file);

}

消息隊(duì)列用于運(yùn)行于同一臺(tái)機(jī)器上的進(jìn)程間通信，與管道相似；

共享內(nèi)存通常由一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建，其余進(jìn)程對(duì)這塊內(nèi)存區(qū)進(jìn)行讀寫。得到共享內(nèi)存有兩種方式：映射/dev/mem設(shè)備和內(nèi)存映像文件。前一種方式不給系統(tǒng)帶來額外的開銷，但在現(xiàn)實(shí)中并不常用，因?yàn)樗刂拼嫒〉氖菍?shí)際的物理內(nèi)存；常用的方式是通過shmXXX函數(shù)族來實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存：

int shmget(key_t key, int size, int flag);　/* 獲得一個(gè)共享存儲(chǔ)標(biāo)識(shí)符*/

該函數(shù)使得系統(tǒng)分配size大小的內(nèi)存用作共享內(nèi)存；

void *shmat(int shmid, void *addr, int flag); /* 將共享內(nèi)存連接到自身地址空間中*/

shmid為shmget函數(shù)返回的共享存儲(chǔ)標(biāo)識(shí)符，addr和flag參數(shù)決定了以什么方式來確定連接的地址，函數(shù)的返回值即是該進(jìn)程數(shù)據(jù)段所連接的實(shí)際地址。此后，進(jìn)程可以對(duì)此地址進(jìn)行讀寫操作訪問共享內(nèi)存。

本質(zhì)上，信號(hào)量是一個(gè)計(jì)數(shù)器，它用來記錄對(duì)某個(gè)資源（如共享內(nèi)存）的存取狀況。一般說來，為了獲得共享資源，進(jìn)程需要執(zhí)行下列操作：

（1）測(cè)試控制該資源的信號(hào)量；

（2）若此信號(hào)量的值為正，則允許進(jìn)行使用該資源，進(jìn)程將進(jìn)號(hào)量減1；

（3）若此信號(hào)量為0，則該資源目前不可用，進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直至信號(hào)量值大于0，進(jìn)程被喚醒，轉(zhuǎn)入步驟（1）；

（4）當(dāng)進(jìn)程不再使用一個(gè)信號(hào)量控制的資源時(shí)，信號(hào)量值加1，如果此時(shí)有進(jìn)程正在睡眠等待此信號(hào)量，則喚醒此進(jìn)程。

下面是一個(gè)使用信號(hào)量的例子，該程序創(chuàng)建一個(gè)特定的IPC結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵字和一個(gè)信號(hào)量，建立此信號(hào)量的索引，修改索引指向的信號(hào)量的值，最后清除信號(hào)量：

#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/sem.h>

#include <sys/ipc.h>

void main()

{

  key_t unique_key; /* 定義一個(gè)IPC關(guān)鍵字*/

  int id;

  struct sembuf lock_it;

  union semun options;

  int i;

  unique_key = ftok(".", 'a'); /* 生成關(guān)鍵字，字符'a'是一個(gè)隨機(jī)種子*/

  /* 創(chuàng)建一個(gè)新的信號(hào)量集合*/

  id = semget(unique_key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL |0666);

  printf("semaphore id=%d"n", id);

  options.val = 1; /*設(shè)置變量值*/

  semctl(id, 0, SETVAL, options); /*設(shè)置索引0的信號(hào)量*/

  /*打印出信號(hào)量的值*/

  i = semctl(id, 0, GETVAL, 0);

  printf("value of semaphore at index 0 is%d"n", i);

  /*下面重新設(shè)置信號(hào)量*/

  lock_it.sem_num = 0; /*設(shè)置哪個(gè)信號(hào)量*/

  lock_it.sem_op =  - 1; /*定義操作*/

  lock_it.sem_flg = IPC_NOWAIT; /*操作方式*/

  if (semop(id, &lock_it, 1) ==  - 1)

  {

    printf("can not locksemaphore."n");

    exit(1);

  }

  i = semctl(id, 0, GETVAL, 0);

  printf("value of semaphore at index 0 is%d"n", i);

  /*清除信號(hào)量*/

  semctl(id, 0, IPC_RMID, 0);

}

套接字通信并不為Linux所專有，在所有提供了TCP/IP協(xié)議棧的操作系統(tǒng)中幾乎都提供了socket，而所有這樣操作系統(tǒng)，對(duì)套接字的編程方法幾乎是完全一樣的。

4.小節(jié)

本章講述了Linux進(jìn)程的概念，并以多個(gè)實(shí)例講解了進(jìn)程控制及進(jìn)程間通信方法，理解這一章的內(nèi)容可以說是理解Linux這個(gè)操作系統(tǒng)的關(guān)鍵。

Linux下的C編程實(shí)戰(zhàn)（四）

――“線程”控制與“線程”通信編程

1.Linux“線程”

    筆者曾經(jīng)在《基于嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks的多任務(wù)并發(fā)程序設(shè)計(jì)》（《軟件報(bào)》2006年第5~12期）中詳細(xì)敘述了進(jìn)程和線程的區(qū)別，并曾經(jīng)說明Linux是一種“多進(jìn)程單線程”的操作系統(tǒng)。Linux本身只有進(jìn)程的概念，而其所謂的“線程”本質(zhì)上在內(nèi)核里仍然是進(jìn)程。大家知道，進(jìn)程是資源分配的單位，同一進(jìn)程中的多個(gè)線程共享該進(jìn)程的資源（如作為共享內(nèi)存的全局變量）。Linux中所謂的“線程”只是在被創(chuàng)建的時(shí)候“克隆”(clone)了父進(jìn)程的資源，因此，clone出來的進(jìn)程表現(xiàn)為“線程”，這一點(diǎn)一定要弄清楚。因此，Linux“線程”這個(gè)概念只有在打冒號(hào)的情況下才是最準(zhǔn)確的，可惜的是幾乎沒有書籍留心去強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。

    Linux內(nèi)核只提供了輕量進(jìn)程的支持，未實(shí)現(xiàn)線程模型，但Linux盡最大努力優(yōu)化了進(jìn)程的調(diào)度開銷，這在一定程度上彌補(bǔ)無線程的缺陷。Linux用一個(gè)核心進(jìn)程（輕量進(jìn)程）對(duì)應(yīng)一個(gè)線程，將線程調(diào)度等同于進(jìn)程調(diào)度，交給核心完成。

    目前Linux中最流行的線程機(jī)制為LinuxThreads，所采用的就是線程－進(jìn)程“一對(duì)一”模型，調(diào)度交給核心，而在用戶級(jí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)包括信號(hào)處理在內(nèi)的線程管理機(jī)制。LinuxThreads由Xavier Leroy (Xavier.Leroy@inria.fr)負(fù)責(zé)開發(fā)完成，并已綁定在GLIBC中發(fā)行，它實(shí)現(xiàn)了一種BiCapitalized面向Linux的Posix 1003.1c “pthread”標(biāo)準(zhǔn)接口。Linuxthread可以支持Intel、Alpha、MIPS等平臺(tái)上的多處理器系統(tǒng)。

按照POSIX 1003.1c標(biāo)準(zhǔn)編寫的程序與Linuxthread 庫相鏈接即可支持Linux平臺(tái)上的多線程，在程序中需包含頭文件pthread. h，在編譯鏈接時(shí)使用命令：

gcc -D -REENTRANT -lpthread xxx.c

其中-REENTRANT宏使得相關(guān)庫函數(shù)(如stdio.h、errno.h中函數(shù)) 是可重入的、線程安全的(thread-safe)，-lpthread則意味著鏈接庫目錄下的libpthread.a或libpthread.so文件。使用Linuxthread庫需要2.0以上版本的Linux內(nèi)核及相應(yīng)版本的C庫(libc5.2.18、libc5.4.12、libc 6)。

2.“線程”控制

線程創(chuàng)建

進(jìn)程被創(chuàng)建時(shí)，系統(tǒng)會(huì)為其創(chuàng)建一個(gè)主線程，而要在進(jìn)程中創(chuàng)建新的線程，則可以調(diào)用pthread_create：

pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t*attr, void *

  (start_routine)(void*), void *arg);

start_routine為新線程的入口函數(shù)，arg為傳遞給start_routine的參數(shù)。

每個(gè)線程都有自己的線程ID，以便在進(jìn)程內(nèi)區(qū)分。線程ID在pthread_create調(diào)用時(shí)回返給創(chuàng)建線程的調(diào)用者；一個(gè)線程也可以在創(chuàng)建后使用pthread_self()調(diào)用獲取自己的線程ID.

pthread_self (void) ;

線程退出

線程的退出方式有三：

（1）執(zhí)行完成后隱式退出；

（2）由線程本身顯示調(diào)用pthread_exit 函數(shù)退出；

     pthread_exit(void * retval) ;

（3）被其他線程用pthread_cancel函數(shù)終止：

pthread_cancel (pthread_t thread) ;

在某線程中調(diào)用此函數(shù)，可以終止由參數(shù)thread 指定的線程。

如果一個(gè)線程要等待另一個(gè)線程的終止，可以使用pthread_join函數(shù)，該函數(shù)的作用是調(diào)用pthread_join的線程將被掛起直到線程ID為參數(shù)

thread的線程終止：

pthread_join (pthread_t thread, void** threadreturn);

3.線程通信

線程互斥

互斥意味著“排它”，即兩個(gè)線程不能同時(shí)進(jìn)入被互斥保護(hù)的代碼。Linux下可以通過pthread_mutex_t 定義互斥體機(jī)制完成多線程的互斥操作，該機(jī)制的作用是對(duì)某個(gè)需要互斥的部分，在進(jìn)入時(shí)先得到互斥體，如果沒有得到互斥體，表明互斥部分被其它線程擁有，此時(shí)欲獲取互斥體的線程阻塞，直到擁有該互斥體的線程完成互斥部分的操作為止。

下面的代碼實(shí)現(xiàn)了對(duì)共享全局變量x 用互斥體mutex 進(jìn)行保護(hù)的目的：

int x; // 進(jìn)程中的全局變量

pthread_mutex_t mutex;

pthread_mutex_init(&mutex, NULL); //按缺省的屬性初始化互斥體變量mutex

pthread_mutex_lock(&mutex); // 給互斥體變量加鎖

… //對(duì)變量x 的操作

phtread_mutex_unlock(&mutex); // 給互斥體變量解除鎖

線程同步

同步就是線程等待某個(gè)事件的發(fā)生。只有當(dāng)?shù)却氖录l(fā)生線程才繼續(xù)執(zhí)行，否則線程掛起并放棄處理器。當(dāng)多個(gè)線程協(xié)作時(shí)，相互作用的任務(wù)必須在一定的條件下同步。

Linux下的C語言編程有多種線程同步機(jī)制，最典型的是條件變量(condition variable)。pthread_cond_init用來創(chuàng)建一個(gè)條件變量，其函數(shù)原型為：

pthread_cond_init (pthread_cond_t *cond, constpthread_condattr_t *attr);

pthread_cond_wait和pthread_cond_timedwait用來等待條件變量被設(shè)置，值得注意的是這兩個(gè)等待調(diào)用需要一個(gè)已經(jīng)上鎖的互斥體mutex，這是為了防止在真正進(jìn)入等待狀態(tài)之前別的線程有可能設(shè)置該條件變量而產(chǎn)生競爭。

pthread_cond_wait的函數(shù)原型為：

pthread_cond_wait (pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t*mutex);

pthread_cond_broadcast用于設(shè)置條件變量，即使得事件發(fā)生，這樣等待該事件的線程將不再阻塞：

pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *cond) ;

pthread_cond_signal則用于解除某一個(gè)等待線程的阻塞狀態(tài)：

pthread_cond_signal (pthread_cond_t *cond) ;

pthread_cond_destroy 則用于釋放一個(gè)條件變量的資源。

在頭文件semaphore.h 中定義的信號(hào)量則完成了互斥體和條件變量的封裝，按照多線程程序設(shè)計(jì)中訪問控制機(jī)制，控制對(duì)資源的同步訪問，提供程序設(shè)計(jì)人員更方便的調(diào)用接口。

sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int val);

這個(gè)函數(shù)初始化一個(gè)信號(hào)量sem 的值為val，參數(shù)pshared是共享屬性控制，表明是否在進(jìn)程間共享。

sem_wait(sem_t *sem);

調(diào)用該函數(shù)時(shí)，若sem為無狀態(tài)，調(diào)用線程阻塞，等待信號(hào)量sem值增加(post )成為有信號(hào)狀態(tài)；若sem為有狀態(tài)，調(diào)用線程順序執(zhí)行，但信號(hào)量的值減一。

sem_post(sem_t *sem);

調(diào)用該函數(shù)，信號(hào)量sem的值增加，可以從無信號(hào)狀態(tài)變?yōu)橛行盘?hào)狀態(tài)。

4.實(shí)例

下面我們還是以著名的生產(chǎn)者/消費(fèi)者問題為例來闡述Linux線程的控制和通信。一組生產(chǎn)者線程與一組消費(fèi)者線程通過緩沖區(qū)發(fā)生聯(lián)系。生產(chǎn)者線程將生產(chǎn)的產(chǎn)品送入緩沖區(qū)，消費(fèi)者線程則從中取出產(chǎn)品。緩沖區(qū)有N 個(gè)，是一個(gè)環(huán)形的緩沖池。

#include <stdio.h>

#include <pthread.h>

#define BUFFER_SIZE 16 // 緩沖區(qū)數(shù)量

struct prodcons

{

  // 緩沖區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

  int buffer[BUFFER_SIZE]; /* 實(shí)際數(shù)據(jù)存放的數(shù)組*/

  pthread_mutex_t lock; /* 互斥體lock 用于對(duì)緩沖區(qū)的互斥操作 */

  int readpos, writepos; /* 讀寫指針*/

  pthread_cond_t notempty; /* 緩沖區(qū)非空的條件變量 */

  pthread_cond_t notfull; /* 緩沖區(qū)未滿的條件變量 */

};

/* 初始化緩沖區(qū)結(jié)構(gòu) */

void init(struct prodcons *b)

{

  pthread_mutex_init(&b->lock, NULL);

  pthread_cond_init(&b->notempty, NULL);

  pthread_cond_init(&b->notfull, NULL);

  b->readpos = 0;

  b->writepos = 0;

}

/* 將產(chǎn)品放入緩沖區(qū),這里是存入一個(gè)整數(shù)*/

void put(struct prodcons *b, int data)

{

  pthread_mutex_lock(&b->lock);

  /* 等待緩沖區(qū)未滿*/

  if ((b->writepos + 1) % BUFFER_SIZE ==b->readpos)

  {

    pthread_cond_wait(&b->notfull,&b->lock);

  }

  /* 寫數(shù)據(jù),并移動(dòng)指針 */

  b->buffer[b->writepos] = data;

  b->writepos++;

  if (b->writepos >  = BUFFER_SIZE)

    b->writepos = 0;

  /* 設(shè)置緩沖區(qū)非空的條件變量*/

  pthread_cond_signal(&b->notempty);

  pthread_mutex_unlock(&b->lock);

}

/* 從緩沖區(qū)中取出整數(shù)*/

int get(struct prodcons *b)

{

  int data;

  pthread_mutex_lock(&b->lock);

  /* 等待緩沖區(qū)非空*/

  if (b->writepos == b->readpos)

  {

    pthread_cond_wait(&b->notempty,&b->lock);

  }

  /* 讀數(shù)據(jù),移動(dòng)讀指針*/

  data = b->buffer[b->readpos];

  b->readpos++;

  if (b->readpos >  = BUFFER_SIZE)

    b->readpos = 0;

  /* 設(shè)置緩沖區(qū)未滿的條件變量*/

  pthread_cond_signal(&b->notfull);

  pthread_mutex_unlock(&b->lock);

  return data;

}

/* 測(cè)試:生產(chǎn)者線程將1 到10000 的整數(shù)送入緩沖區(qū),消費(fèi)者線

程從緩沖區(qū)中獲取整數(shù),兩者都打印信息*/

#define OVER ( - 1)

struct prodcons buffer;

void *producer(void *data)

{

  int n;

  for (n = 0; n < 10000;n++)

  {

    printf("%d --->"n",n);

    put(&buffer, n);

  } put(&buffer, OVER);

  return NULL;

}

void *consumer(void *data)

{

  int d;

  while (1)

  {

    d = get(&buffer);

    if (d == OVER)

      break;

    printf("--->%d "n",d);

  }

  return NULL;

}

int main(void)

{

  pthread_t th_a, th_b;

  void *retval;

  init(&buffer);

  /* 創(chuàng)建生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程*/

  pthread_create(&th_a, NULL, producer, 0);

  pthread_create(&th_b, NULL, consumer, 0);

  /* 等待兩個(gè)線程結(jié)束*/

  pthread_join(th_a, &retval);

  pthread_join(th_b, &retval);

  return 0;

}

5.WIN32、VxWorks、Linux線程類比

目前為止，筆者已經(jīng)創(chuàng)作了《基于嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks的多任務(wù)并發(fā)程序設(shè)計(jì)》（《軟件報(bào)》2006年5~12期連載）、《深入淺出Win32多線程程序設(shè)計(jì)》（天極網(wǎng)技術(shù)專題）系列，我們來找出這兩個(gè)系列文章與本文的共通點(diǎn)。

看待技術(shù)問題要瞄準(zhǔn)其本質(zhì)，不管是Linux、VxWorks還是WIN32，其涉及到多線程的部分都是那些內(nèi)容，無非就是線程控制和線程通信，它們的許多函數(shù)只是名稱不同，其實(shí)質(zhì)含義是等價(jià)的，下面我們來列個(gè)三大操作系統(tǒng)共同點(diǎn)詳細(xì)表單：

事項(xiàng)
 WIN32
 VxWorks
 Linux
 
線程創(chuàng)建
 CreateThread
 taskSpawn
 pthread_create
 
線程終止
 執(zhí)行完成后退出；線程自身調(diào)用ExitThread 函數(shù)即終止自己；被其他線程調(diào)用函數(shù)  TerminateThread函數(shù)
 執(zhí)行完成后退出；由線程本身調(diào)用exit退出；被其他線程調(diào)用函數(shù)taskDelete終止
執(zhí)行完成后退出；由線程本身調(diào)用pthread_exit 退出；被其他線程調(diào)用函數(shù)pthread_cancel終止
 
獲取線程ID
 GetCurrentThreadId
 taskIdSelf
 pthread_self
 
創(chuàng)建互斥
 CreateMutex
 semMCreate
 pthread_mutex_init
 
獲取互斥
 WaitForSingleObject、

WaitForMultipleObjects
 semTake
 pthread_mutex_lock
 
釋放互斥
 ReleaseMutex
 semGive
 phtread_mutex_unlock
 
創(chuàng)建信號(hào)量
 CreateSemaphore
 semBCreate、semCCreate
 sem_init
 
等待信號(hào)量
 WaitForSingleObject
 semTake
 sem_wait
 
釋放信號(hào)量
 ReleaseSemaphore
 semGive
 sem_post
 

6.小結(jié)

    本章講述了Linux下多線程的控制及線程間通信編程方法，給出了一個(gè)生產(chǎn)者/消費(fèi)者的實(shí)例，并將Linux的多線程與WIN32、VxWorks多線程進(jìn)行了類比，總結(jié)了一般規(guī)律。鑒于多線程編程已成為開發(fā)并發(fā)應(yīng)用程序的主流方法，學(xué)好本章的意義也便不言自明。

Linux下的C編程實(shí)戰(zhàn)（五）

――驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

1.引言

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口，它為應(yīng)用程序屏蔽硬件的細(xì)節(jié)，一般來說，Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要完成如下功能：

（1）初始化設(shè)備；

（2）提供各類設(shè)備服務(wù)；

（3）負(fù)責(zé)內(nèi)核和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換；

（4）檢測(cè)和處理設(shè)備工作過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

妙不可言的是，Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被組織為一組完成不同任務(wù)的函數(shù)的集合，通過這些函數(shù)使得Linux的設(shè)備操作猶如文件一般。在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以象操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。本系列文章的第2章文件系統(tǒng)編程中已經(jīng)看到了這些函數(shù)的真面目，它們就是open ()、close ()、read ()、write() 等。

Linux主要將設(shè)備分為二類：字符設(shè)備和塊設(shè)備（當(dāng)然網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及USB等其它設(shè)備的驅(qū)動(dòng)編寫方法又稍有不同）。這兩類設(shè)備的不同點(diǎn)在于：在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了，而塊設(shè)備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備請(qǐng)求能滿足用戶的要求，就返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，如果不能，就調(diào)用請(qǐng)求函數(shù)來進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備主要針對(duì)磁盤等慢速設(shè)備。字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)較為簡單，因此本章主要闡述字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)編寫。

2.驅(qū)動(dòng)模塊函數(shù)

init 函數(shù)用來完成對(duì)所控設(shè)備的初始化工作，并調(diào)用register_chrdev() 函數(shù)注冊(cè)字符設(shè)備。假設(shè)有一字符設(shè)備“exampledev”，則其init

函數(shù)為：

void exampledev_init(void)

{

  if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " exampledev", &exampledev_fops))

    TRACE_TXT("Device exampledevdriver registered error");

  else

    TRACE_TXT("Device exampledevdriver registered successfully");

  …//設(shè)備初始化

}

其中，register_chrdev函數(shù)中的參數(shù)MAJOR_NUM為主設(shè)備號(hào),“exampledev”為設(shè)備名，exampledev_fops為包含基本函數(shù)入口點(diǎn)的結(jié)構(gòu)體，類型為file_operations。當(dāng)執(zhí)行exampledev_init時(shí)，它將調(diào)用內(nèi)核函數(shù)register_chrdev，把驅(qū)動(dòng)程序的基本入口點(diǎn)指針存放在內(nèi)核的字符設(shè)備地址表中，在用戶進(jìn)程對(duì)該設(shè)備執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)提供入口地址。

file_operations結(jié)構(gòu)體定義為：

struct file_operations

{

  int (*lseek)();

  int (*read)();

  int (*write)();

  int (*readdir)();

  int (*select)();

  int (*ioctl)();

  int (*mmap)();

  int (*open)();

  void(*release)();

  int (*fsync)();

  int (*fasync)();

  int (*check_media_change)();

  void(*revalidate)();

};

大多數(shù)的驅(qū)動(dòng)程序只是利用了其中的一部分，對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序中無需提供的功能，只需要把相應(yīng)位置的值設(shè)為NULL。對(duì)于字符設(shè)備來說，要提供的主要入口有：open ()、release ()、read ()、write()、ioctl ()。

open()函數(shù)　對(duì)設(shè)備特殊文件進(jìn)行open()系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，將調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的open () 函數(shù)：

int open(struct inode * inode ,struct file * file);

其中參數(shù)inode為設(shè)備特殊文件的inode (索引結(jié)點(diǎn)) 結(jié)構(gòu)的指針，參數(shù)file是指向這一設(shè)備的文件結(jié)構(gòu)的指針。open()的主要任務(wù)是確定硬件處在就緒狀態(tài)、驗(yàn)證次設(shè)備號(hào)的合法性(次設(shè)備號(hào)可以用MINOR(inode-> i - rdev) 取得)、控制使用設(shè)備的進(jìn)程數(shù)、根據(jù)執(zhí)行情況返回狀態(tài)碼(0表示成功，負(fù)數(shù)表示存在錯(cuò)誤) 等；

release()函數(shù)　當(dāng)最后一個(gè)打開設(shè)備的用戶進(jìn)程執(zhí)行close ()系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，內(nèi)核將調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的release () 函數(shù)：

void release (struct inode * inode ,struct file * file) ;

release 函數(shù)的主要任務(wù)是清理未結(jié)束的輸入/輸出操作、釋放資源、用戶自定義排他標(biāo)志的復(fù)位等。

read()函數(shù)　當(dāng)對(duì)設(shè)備特殊文件進(jìn)行read() 系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，將調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序read() 函數(shù)：

void read(struct inode * inode ,struct file * file ,char* buf ,int count) ;

參數(shù)buf是指向用戶空間緩沖區(qū)的指針，由用戶進(jìn)程給出，count 為用戶進(jìn)程要求讀取的字節(jié)數(shù)，也由用戶給出。

read() 函數(shù)的功能就是從硬設(shè)備或內(nèi)核內(nèi)存中讀取或復(fù)制count個(gè)字節(jié)到buf 指定的緩沖區(qū)中。在復(fù)制數(shù)據(jù)時(shí)要注意，驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在內(nèi)核中，而buf指定的緩沖區(qū)在用戶內(nèi)存區(qū)中，是不能直接在內(nèi)核中訪問使用的，因此，必須使用特殊的復(fù)制函數(shù)來完成復(fù)制工作，這些函數(shù)在<asm/

segment.h>中定義：

void put_user_byte (char data_byte ,char * u_addr) ;

void put_user_word (short data_word ,short * u_addr) ;

void put_user_long(long data_long ,long * u_addr) ;

void memcpy_tofs (void * u_addr ,void * k_addr ,unsignedlong cnt) ;

參數(shù)u_addr為用戶空間地址，k_addr 為內(nèi)核空間地址，cnt為字節(jié)數(shù)。

write( ) 函數(shù)　當(dāng)設(shè)備特殊文件進(jìn)行write () 系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，將調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的write () 函數(shù)：

void write (struct inode * inode ,struct file * file,char * buf ,int count) ;

write ()的功能是將參數(shù)buf 指定的緩沖區(qū)中的count 個(gè)字節(jié)內(nèi)容復(fù)制到硬件或內(nèi)核內(nèi)存中，和read() 一樣，復(fù)制工作也需要由特殊函數(shù)來完

成：

unsigned char_get_user_byte (char * u_addr) ;

unsigned char_get_user_word (short * u_addr) ;

unsigned char_get_user_long(long * u_addr) ;

unsigned memcpy_fromfs(void * k_addr ,void * u_addr,unsigned long cnt) ;

ioctl() 函數(shù)　該函數(shù)是特殊的控制函數(shù)，可以通過它向設(shè)備傳遞控制信息或從設(shè)備取得狀態(tài)信息，函數(shù)原型為：

int ioctl (struct inode * inode ,struct file * file,unsigned int cmd ,unsigned long arg);

參數(shù)cmd為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序要執(zhí)行的命令的代碼，由用戶自定義，參數(shù)arg 為相應(yīng)的命令提供參數(shù)，類型可以是整型、指針等。

同樣，在驅(qū)動(dòng)程序中，這些函數(shù)的定義也必須符合命名規(guī)則，按照本文約定，設(shè)備“exampledev”的驅(qū)動(dòng)程序的這些函數(shù)應(yīng)分別命名為

exampledev_open、exampledev_ release、exampledev_read、exampledev_write、exampledev_ioctl，因此設(shè)備“exampledev”的基本入口點(diǎn)

結(jié)構(gòu)變量exampledev_fops 賦值如下：

struct file_operations exampledev_fops {

　NULL ,

　exampledev_read ,

　exampledev_write ,

　NULL ,

　NULL ,

　exampledev_ioctl ,

　NULL ,

　exampledev_open ,

　exampledev_release ,

　NULL ,

　NULL ,

　NULL ,

　NULL

} ;

3.內(nèi)存分配

由于Linux驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)核中運(yùn)行，因此在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要申請(qǐng)/釋放內(nèi)存時(shí)，不能使用用戶級(jí)的malloc/free函數(shù)，而需由內(nèi)核級(jí)的函數(shù)

kmalloc/kfree () 來實(shí)現(xiàn)，kmalloc()函數(shù)的原型為：

void kmalloc (size_t size ,int priority);

參數(shù)size為申請(qǐng)分配內(nèi)存的字節(jié)數(shù)；參數(shù)priority說明若kmalloc()不能馬上分配內(nèi)存時(shí)用戶進(jìn)程要采用的動(dòng)作：GFP_KERNEL 表示等待，即等kmalloc()函數(shù)將一些內(nèi)存安排到交換區(qū)來滿足你的內(nèi)存需要，GFP_ATOMIC 表示不等待，如不能立即分配到內(nèi)存則返回0 值；函數(shù)的返回值指向已分配內(nèi)存的起始地址，出錯(cuò)時(shí)，返回0。

kmalloc ()分配的內(nèi)存需用kfree()函數(shù)來釋放，kfree ()被定義為：

# define kfree (n) kfree_s( (n) ,0)

其中kfree_s () 函數(shù)原型為：

void kfree_s (void * ptr ,int size);

參數(shù)ptr為kmalloc()返回的已分配內(nèi)存的指針，size是要釋放內(nèi)存的字節(jié)數(shù)，若為0 時(shí)，由內(nèi)核自動(dòng)確定內(nèi)存的大小。

4.中斷

許多設(shè)備涉及到中斷操作，因此，在這樣的設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序中需要對(duì)硬件產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求提供中斷服務(wù)程序。與注冊(cè)基本入口點(diǎn)一樣，驅(qū)動(dòng)程序也要請(qǐng)求內(nèi)核將特定的中斷請(qǐng)求和中斷服務(wù)程序聯(lián)系在一起。在Linux中，用request_irq()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求：

int request_irq (unsigned int irq ,void( * handler) int,unsigned long type ,char * name);

參數(shù)irq為要中斷請(qǐng)求號(hào)，參數(shù)handler為指向中斷服務(wù)程序的指針，參數(shù)type 用來確定是正常中斷還是快速中斷（正常中斷指中斷服務(wù)子程序返回后，內(nèi)核可以執(zhí)行調(diào)度程序來確定將運(yùn)行哪一個(gè)進(jìn)程；而快速中斷是指中斷服務(wù)子程序返回后，立即執(zhí)行被中斷程序，正常中斷type 取值為0 ，快速中斷type 取值為SA_INTERRUPT），參數(shù)name是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的名稱。

5.實(shí)例

筆者最近設(shè)計(jì)了一塊采用三星S3C2410 ARM處理器的電路板（ARM處理器廣泛應(yīng)用于手機(jī)、PDA等嵌入式系統(tǒng)），板上包含四個(gè)用戶可編程的發(fā)光二極管（LED），這些LED連接在ARM處理器的可編程I/O口（GPIO）上。

我們?cè)贏RM處理器上移植Linux操作系統(tǒng)，現(xiàn)在來編寫這些LED的驅(qū)動(dòng)：

#include <linux/config.h>

#include <linux/module.h>

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/init.h>

#include <linux/miscdevice.h>

#include <linux/sched.h>

#include <linux/delay.h>

#include <linux/poll.h>

#include <linux/spinlock.h>

#include <linux/irq.h>

#include <linux/delay.h>

#include <asm/hardware.h>

#define DEVICE_NAME "leds" /*定義led 設(shè)備的名字*/

#define LED_MAJOR 231 /*定義led 設(shè)備的主設(shè)備號(hào)*/

static unsigned long led_table[] =

{

  /*I/O 方式led 設(shè)備對(duì)應(yīng)的硬件資源*/

  GPIO_B10, GPIO_B8, GPIO_B5, GPIO_B6,

};

/*使用ioctl 控制led*/

static int leds_ioctl(struct inode *inode, struct file*file, unsigned int cmd,

  unsigned long arg)

{

  switch (cmd)

  {

    case 0:

    case 1:

      if (arg > 4)

      {

        return -EINVAL;

      }

     write_gpio_bit(led_table[arg], !cmd);

    default:

      return  -EINVAL;

  }

}

static struct file_operations leds_fops =

{

  owner: THIS_MODULE, ioctl: leds_ioctl,

};

static devfs_handle_t devfs_handle;

static int __init leds_init(void)

{

  int ret;

  int i;

  /*在內(nèi)核中注冊(cè)設(shè)備*/

  ret = register_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME,&leds_fops);

  if (ret < 0)

  {

    printk(DEVICE_NAME " can'tregister major number"n");

    return ret;

  }

  devfs_handle = devfs_register(NULL, DEVICE_NAME,DEVFS_FL_DEFAULT, LED_MAJOR,

    0, S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR,&leds_fops, NULL);

  /*使用宏進(jìn)行端口初始化，set_gpio_ctrl 和write_gpio_bit 均為宏定義*/

  for (i = 0; i < 8; i++)

  {

    set_gpio_ctrl(led_table[i] |GPIO_PULLUP_EN | GPIO_MODE_OUT);

    write_gpio_bit(led_table[i], 1);

  }

  printk(DEVICE_NAME "initialized"n");

  return 0;

}

static void __exit leds_exit(void)

{

  devfs_unregister(devfs_handle);

  unregister_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME);

}

module_init(leds_init);

module_exit(leds_exit);

使用命令方式編譯led 驅(qū)動(dòng)模塊：

#arm-linux-gcc -D__KERNEL__ -I/arm/kernel/include

-DKBUILD_BASENAME=leds -DMODULE -c -o leds.o leds.c

以上命令將生成leds.o 文件，把該文件復(fù)制到板子的/lib目錄下，使用以下命令就可以安裝leds驅(qū)動(dòng)模塊：

#insmod /lib/ leds.o

刪除該模塊的命令是：

#rmmod leds

6.小結(jié)

本章講述了Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的入口函數(shù)及驅(qū)動(dòng)程序中的內(nèi)存申請(qǐng)、中斷等，并給出了一個(gè)通過ARM處理器的GPIO口控制LED的驅(qū)動(dòng)實(shí)例。