C语言与操作系统交互探秘

系统调用与库函数
在 C语言中，系统调用是用户程序与操作系统内核交互的桥梁。以下是常见系统调用的概述：

文件操作类：open()、read()、write()、close()、lseek()
进程控制类：fork()、exec()、wait()、exit()
信号处理类：signal()、kill()
进程间通信：pipe()、shmget()、msgget()
网络通信：socket()、bind()、listen()、accept()
系统调用 vs 库函数：

系统调用是操作系统提供的接口，进入内核态执行
库函数是对系统调用的封装（如 fread 封装了 read）
系统调用开销大但能访问底层资源，库函数效率高且跨平台
工作原理：

用户程序通过特定指令（如 int 0x80 或 syscall）触发系统调用
CPU 切换到内核态执行对应的内核服务例程
内核处理请求并返回结果
CPU 切回用户态继续执行
以下是一个简单的系统调用示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    int fd;
    char buffer[20] = "Hello, World!\n";
    
    // 系统调用：打开文件
    fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("open failed");
        return 1;
    }
    
    // 系统调用：写入文件
    write(fd, buffer, 14);
    
    // 系统调用：关闭文件
    close(fd);
    
    return 0;
}

文件操作与 I/O 系统
C语言提供了两套文件操作接口：

标准 I/O 库：fopen()、fread()、fwrite()、fclose() 等
系统调用：open()、read()、write()、close() 等
标准 I/O 与系统调用的关系：

标准 I/O 基于系统调用实现，提供缓冲机制
系统调用直接操作文件描述符，无缓冲
文件系统基础：

inode：存储文件元数据（权限、所有者、时间戳等）
目录结构：目录文件存储文件名到 inode 的映射
文件描述符表：每个进程维护一个打开文件的描述符表
I/O 模型：

阻塞 I/O：操作直到完成才返回
非阻塞 I/O：立即返回，需轮询结果
I/O 多路复用：通过 select/poll/epoll 同时监控多个文件描述符
异步 I/O：操作完成后通过回调通知
以下是一个使用 select 实现的 I/O 多路复用示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/select.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    fd_set readfds;
    struct timeval timeout;
    int fd_stdin = fileno(stdin);
    char buffer[100];
    
    while (1) {
        // 清空文件描述符集
        FD_ZERO(&readfds);
        // 添加标准输入到监控集
        FD_SET(fd_stdin, &readfds);
        
        // 设置超时时间
        timeout.tv_sec = 5;
        timeout.tv_usec = 0;
        
        // 调用 select 监控
        int result = select(fd_stdin + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout); https://www.fglt.me/
        
        if (result < 0) {
            perror("select failed");
            exit(EXIT_FAILURE);
        } else if (result == 0) {
            printf("Timeout occurred!\n");
        } else {
            // 标准输入就绪，读取数据
            if (FD_ISSET(fd_stdin, &readfds)) {
                fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);
                printf("Read: %s", buffer);
            }
        }
    }
    
    return 0;
}

信号处理机制
信号基本概念：

信号是软件中断，用于通知进程发生了异步事件
常见信号：SIGINT(2)、SIGTERM(15)、SIGKILL(9)、SIGSEGV(11)
信号处理方式：

默认处理：执行系统预设动作（如终止进程）
忽略信号：不做任何处理
捕获信号：注册信号处理函数
信号处理函数注意事项：

只能调用异步信号安全的函数
避免执行复杂操作
使用 volatile sig_atomic_t 变量进行进程间通信
以下是一个信号处理的示例：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

volatile sig_atomic_t flag = 0;

// 信号处理函数
void sigint_handler(int signum) {
    if (signum == SIGINT) {
        printf("\nCaught SIGINT, setting flag...\n");
        flag = 1;
    }
}

int main() {
    // 注册信号处理函数
    if (signal(SIGINT, sigint_handler) == SIG_ERR) {
        perror("signal registration failed");
        return 1;
    }
    
    printf("Running... Press Ctrl+C to exit.\n");
    
    // 主循环
    while (!flag) {
        printf("Working...\n");
        sleep(1);
    }
    
    printf("Exiting gracefully...\n");
    return 0;
}

信号在进程间通信中的应用：

使用 kill() 函数向指定进程发送信号
使用 sigqueue() 可以传递附加数据
信号是一种简单但有限的进程间通信方式