Linux環(huán)境編程必須搞懂的幾個概念

Linux環(huán)境編程對于初學者來說，必須深刻理解重點概念才能更好地編寫代碼，實現(xiàn)業(yè)務功能，下面就幾個重要的及常用的知識點進行說明。搞懂這幾個概念后以免在將來的編碼出現(xiàn)混淆。

系統(tǒng)調(diào)用

所有的操作系統(tǒng)在其內(nèi)核里都有一些內(nèi)建的函數(shù)，這些函數(shù)可以用來完成一些系統(tǒng)級別的功能。在Linux系統(tǒng)使用的這樣的函數(shù)叫做“系統(tǒng)調(diào)用”，英文是systemcall。這些函數(shù)代表了從用戶空間到內(nèi)核空間的一種轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)調(diào)用是Linux操作系統(tǒng)提供的服務，是編寫應用程序與內(nèi)核之間通信的接口，也就是我們所說的函數(shù)。相對于普通的函數(shù)調(diào)用來說，系統(tǒng)調(diào)用的性能消耗相對來說是大的。所以在程序追求性能的同時，盡量避免系統(tǒng)調(diào)用。

用戶態(tài)的程序默認是通過棧來傳遞參數(shù)的。而對于系統(tǒng)調(diào)用來說，內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)使用的是不同的棧，這使得系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)只能通過寄存器的方式進行傳遞。

IO操作

什么是IO，通俗來講就是輸入輸出

IO分為標準IO和文件IO，我們常用的scanf、printf、getchar、putchar、gets、puts這些都是標準輸入輸出。Linux系統(tǒng)下一切皆文件的概念，所以在linux下的編程中對文件的IO操作有標準IO和文件IO兩種操作類型。標準IO是帶緩沖的IO屬于庫函數(shù)，文件IO是不帶緩沖的屬于系統(tǒng)調(diào)用。

標準IO:

1.標準IO是由ANSIC標準定義

2.跨平臺，可以在windows下運行，也可以在Linux下運行

3.通過緩沖機制來減少系統(tǒng)調(diào)用，實現(xiàn)更高的效率

4.文件流 標準IO用結(jié)構(gòu)體類型來存放文件的相關(guān)信息，標準IO所有操作圍繞著FILE來操作。

文件IO：

1.文件IO是POSIX提供的一組函數(shù)

2.只能運行在可移植操作系統(tǒng)中，不能跨平臺

3.沒有緩沖機制

4.文件描述符是一個非負整數(shù)，每打開一個文件，系統(tǒng)會自動分配一個文件描述符（即從系統(tǒng)最小的且沒有被用的描述符來分配）

原子操作

原子在化學課程中是不可再分的顆粒。而對于Linux系統(tǒng)來說所謂原子操作是為了確保對一個整型數(shù)據(jù)的更改具有排他性。原子操作就是要么不執(zhí)行，一旦執(zhí)行就會執(zhí)行完成，是不可被打斷的一個，或一系列的動作，即在完成任務前不會被其他事件所打斷，就像原子不可被分割成顆粒一樣。單處理中，可以用單條指令完成的指令可以被看成是一個原子操作。軟件中的原子操作依賴于硬件原子操作的支持。當然原子操作，也可以當引用計數(shù)使用。

原子操作其實本質(zhì)上和鎖實現(xiàn)同樣的功能，都是為了保護共享對象，它具有原子性，和順序性。原子性確保指令執(zhí)行期間不被打斷，要么全部執(zhí)行，要么根本不執(zhí)行。而順序性確保即使兩條或多條指令出現(xiàn)在獨立的執(zhí)行線程中，甚至獨立的處理器上，它們本該執(zhí)行的順序依然要保持。

線程安全

所謂線程安全，就是指代碼可以在多線程環(huán)境下安全地執(zhí)行，輸出我們想要的結(jié)果。即符合正確的邏輯，是程序員期望的正常執(zhí)行結(jié)果。為了實現(xiàn)線程安全，Linux系統(tǒng)提供一些列的方法，或者只能使用局部變量或資源，或者就是利用鎖等同步機制，來實現(xiàn)全局變量或資源的訪問。

線程安全在Linux環(huán)境編程中極其重要，我們不僅要了解概念，更重要的是要在實際的編程中學會實現(xiàn)線程安全方式。下面來看一個簡單的例子：

#include
#include
#include

staticintnCnt=0;

void*Thread(void*arg)
{
for(inti=0;i

	

	大家看出上面例子的問題了嗎？

	對，沒錯，在此例子中我們創(chuàng)建了兩個線程，線程函數(shù)是同一個函數(shù)，在線程函數(shù)中是對全局變量nCnt的自增操作。這個例子中輸出結(jié)果和我們想要的是不一樣，就是因為nCnt執(zhí)行指令并不是原子的，兩個個線程對nCnt的并發(fā)訪問出現(xiàn)了問題。我們利用鎖就可以解決此問題。

	阻塞與非阻塞

	Linux環(huán)境編程中的阻塞與非阻塞，都是指I/O操作。而所有的I/O系統(tǒng)調(diào)用默認都是阻塞的。那什么是阻塞？阻塞的系統(tǒng)調(diào)用是指當進行系統(tǒng)調(diào)用時除非出錯或被信號打斷，那么系統(tǒng)調(diào)用將會一直陷入內(nèi)核態(tài)直到調(diào)用完成。非阻塞的系統(tǒng)調(diào)用是指無論I/O操作成功與否，調(diào)用都會立刻返回。阻塞和非阻塞IO是訪問設備的兩種模式，驅(qū)動程序可以靈活的支持這兩種用戶空間對設備的訪問方式。

	阻塞操作是指在執(zhí)行操作時，若不能獲得資源，則阻塞進程直到滿足條件再進行操作。被阻塞的進程進入睡眠狀態(tài)，被調(diào)度器的運行隊列移走，直到等待的條件滿足

	非阻塞是指在進行操作時，若不能獲得資源，他要么放棄，要么返回后重新查詢，直到可以進行操作為止。

	當數(shù)據(jù)準備好時二者的模式相同，即IO操作都是將進程阻塞，直到IO操作完成

	阻塞、非阻塞是設備文件、網(wǎng)絡文件的屬性

	同步與異步

	同步與異步，也是指I/O操作。POSIX定義如下：A synchronous I/O operation causes the requesting process to beblocked until that I/O operation completes An asynchronous I/O operation does not cause the requesting processto be blocked

	兩者的區(qū)別就在于同步IO做IO操作時會將進程阻塞，而異步IO做IO操作時不會阻塞進程

	當把阻塞、非阻塞、同步和異步放在一起時，難免會出現(xiàn)混淆。同步是否就是阻塞，異步是否就是非阻塞？實際上在I/O操作中，它們是不同的概念。同步既可以是阻塞的，也可以是非阻塞的，而常用的Linux的I/O調(diào)用實際上都是同步的。這里的同步和異步，是指I/O數(shù)據(jù)的復制工作是否同步執(zhí)行。

	以系統(tǒng)調(diào)用read為例。阻塞的read會一直陷入內(nèi)核態(tài)直到read返回；而非阻塞的read在數(shù)據(jù)未準備就緒時，會直接返回，而當有數(shù)據(jù)時，非阻塞的read同樣會一直陷入內(nèi)核態(tài)，直到read完成。這個read就是同步的操作， 即I/O的完成是在當前執(zhí)行流程下同步完成的。如果是異步，則I/O操作不是隨系統(tǒng)調(diào)用同步完成的。調(diào)用返回后，I/O操作并沒有完成，而是由操作系統(tǒng)或者某個線程負責真正的I/O操作，等完成后通知原來的線程

	

	審核編輯：湯梓紅