20231326《密码系统设计》第九周预习报告

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学习内容

《Head First C 嗨翻 C 语言》第 9 章

一、系统调用和内核 (System Calls and Kernel)

系统调用 (System Call): C程序与操作系统内核沟通的机制。它是操作系统内核中的函数，C标准库的大部分功能（例如printf()）都依赖于它们来与硬件交互。
内核 (Kernel): 计算机中最重要的程序，负责管理三方面：
- 进程 (Processes): 加载程序到内存并创建进程，确保它们获得所需资源，并监控进程状态。
- 存储器 (Memory): 分配和管理每个进程的存储器大小，并可能使用磁盘交换来增加虚拟存储器空间。
- 硬件 (Hardware): 通过设备驱动与计算机上的设备（如键盘、屏幕）进行交互。

二、 `system()` 函数

功能: 接收一个字符串参数，并将其作为命令执行。
用途: 是在代码中运行其他程序的捷径，尤其适用于建立快速原型，可以避免编写大量的C代码。
缺点/安全问题:
- system()必须解释命令字符串，这容易出错。
- 存在命令行注入的安全风险，用户可以通过在输入文本中注入命令行代码（例如使用&&）来运行任意命令。
- 其他问题包括注释文本中的引号（撇号）破坏命令引号，以及PATH变量可能导致调用错误的程序。

三、 `exec()` 家族函数

功能: 运行其他程序来替换当前的进程。新程序启动后会沿用原有进程的PID（进程标识符）。它通过明确指定要运行的程序来消除system()的歧义问题。
进程 (Process): 存储器中运行的程序，由一个数字（进程标识符，PID）来标识。
函数命名规则: exec 后可跟 l 或 v，以及可选的 p 和 e 。
- l (List): 接收参数列表。
- v (Vector): 接收参数数组或向量。
- p (PATH): 根据 PATH 环境变量查找程序。
- e (Environment): 接收环境变量字符串数组。
- 参数列表函数示例: execl(), execlp(), execle() 。参数列表必须以 NULL 结束。
- 参数数组函数示例: execv(), execvp(), execve() 。
环境变量 (Environment Variables):
- 每个进程都有一组环境变量。
- C程序可以使用 stdlib.h 中的 getenv() 函数读取环境变量。
- 使用以 e 结尾的 exec() 函数（如 execle()）可以传递新的环境变量数组，数组格式为 "变量名=值"，并以 NULL 结束。

四、错误处理 (Error Handling)

exec() 错误判断: 如果 exec() 调用成功，当前程序会停止运行；如果失败，程序会继续运行 exec() 之后的代码。
失败黄金法则: 大多数系统调用失败时会遵循以下原则：
- 返回 -1 。
- 将全局变量 errno 设为错误码。
errno: 定义在 errno.h 中的全局变量，用于保存系统调用的错误码。
strerror(): 定义在 string.h 中，可以将 errno 错误码转换为可读的标准错误消息。

五、 `fork()` 函数

问题背景: 由于 exec() 会替换当前进程，如果在循环中直接调用 exec()，程序只会执行一次 exec() 就会终止。
功能: fork() 系统调用会克隆当前进程，创建一个新的子进程。父进程和子进程会从 fork() 调用后的同一行代码开始执行。
返回值区分:
- 子进程 (Child Process): fork() 返回 0 。
- 父进程 (Parent Process): fork() 返回 非零值（即子进程的PID）。
- 失败: fork() 返回 -1 。
fork() + exec() 模式: 在 子进程 中调用 exec() 函数来替换自身运行新程序，从而允许 父进程 继续运行，实现并发或连续操作。
效率技巧: 操作系统使用“写时复制”（copy on-write）技术，父子进程最初共享数据，只有当其中一方尝试修改数据时，系统才会进行复制.
平台限制: Windows 系统本身不支持 fork()，但在 Cygwin 等环境中可以通过模拟实现。

AI对学习内容的总结

一、系统调用与内核机制

核心思想：
系统调用（System Call）是用户程序与内核之间的接口。当 C 程序需要操作硬件（例如读写文件、创建进程等）时，必须通过系统调用进入内核态执行。

要点补充：

系统调用通过 CPU 的特权指令（如 syscall 或 int 0x80）进入内核。
用户态与内核态的隔离是操作系统安全与稳定的基础。
Linux 系统调用的典型例子：
- 进程管理：fork()、exec()
- 文件 I/O：open()、read()、write()
- 网络通信：socket()、bind()、connect()

二、`system()` 与 `exec()` 的区别

特性	`system()`	`exec()` 家族
执行方式	通过 shell 解释命令	直接执行目标程序
是否替换当前进程	否	是
安全性	存在命令注入风险	安全性更高
适用场景	快速执行外部命令	受控地运行外部程序

说明：

system() 本质上相当于执行：fork() → exec("/bin/sh", "-c", command) → wait()
因为 system() 需要调用 shell 解释命令字符串，因此容易受输入注入攻击。
在安全性要求高的程序中，应使用 fork() + exec() 替代。

三、`exec()` 家族函数详解

exec() 是一组函数族，核心作用是用新程序替换当前进程。
这些函数的命名体现了参数传递和环境处理方式的差异：

后缀	含义	示例
`l`	参数以列表形式给出	`execl()`
`v`	参数以数组形式给出	`execv()`
`p`	按 PATH 搜索可执行文件	`execlp()`、`execvp()`
`e`	可自定义环境变量	`execle()`、`execve()`

示例：

execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);
execvp("ls", argv);

关键点：

执行成功后不会返回；失败时返回 -1 并设置 errno。
使用 e 系列函数可以改变子进程的环境变量。

四、错误处理机制

通用规则：
大多数系统调用在失败时会：

返回 -1；
设置全局变量 errno 以保存错误码。

配合 strerror() 使用示例：

int fd = open("file.txt", O_RDONLY);
if (fd == -1) {
    printf("Error: %s\n", strerror(errno));
}

补充理解：

errno 定义在 <errno.h> 中。
strerror() 定义在 <string.h> 中，将错误码转为可读文本。
在多线程环境中，每个线程有独立的 errno。

五、`fork()`：进程创建的基础

fork() 用于创建一个新的子进程。新进程与父进程几乎完全相同，从 fork() 调用处继续执行。

返回值：

父进程中：返回子进程的 PID（正数）
子进程中：返回 0
失败：返回 -1

典型模式：fork() + exec()

pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
    execlp("ls", "ls", "-l", NULL);
} else if (pid > 0) {
    wait(NULL);
}

补充：

Linux 使用“写时复制”（Copy-on-Write）优化，只有在数据被修改时才实际复制内存页。
Windows 没有 fork()，通过 CreateProcess() 创建新进程。

六、进一步延伸

wait() 与 waitpid()
父进程通过它们等待子进程结束，防止产生僵尸进程。
进程标识函数
- getpid()：获取当前进程 PID。
- getppid()：获取父进程 PID。
进程间通信（IPC）机制
- pipe()、共享内存、信号量、消息队列等是多进程编程的重要工具。
系统调用与库函数的关系
- 系统调用由内核实现；
- C 标准库函数是对系统调用的封装和扩展。
  例如：
  fopen() → 调用 open()
  fread() → 调用 read()

七、学习建议

实践练习：
- 使用 fork() 创建多个子进程；
- 每个子进程调用 exec() 执行不同程序；
- 父进程使用 wait() 等待全部子进程结束。
对比 system() 与 exec() 的行为差异。
阅读 Linux 手册页：
man 2 fork、man 3 exec、man 3 system

学习思维导图

mindmap root((系统调用与进程管理)) 系统调用与内核系统调用 C程序与内核沟通机制内核职责进程管理内存管理硬件控制 system函数功能执行命令字符串优点快速原型缺点注入风险引号错误 PATH问题 exec函数族功能用新程序替换当前进程变体 l 参数列表 v 参数数组 p 使用PATH e 环境变量环境变量 getenv读取 execle_execve传递错误处理失败返回 -1 errno保存错误码 strerror转换为错误信息 fork函数功能克隆当前进程返回值子进程 0 父进程子进程PID 用法子进程exec 父进程继续优化写时复制限制 Windows不原生支持

基于AI的学习

原对话链接：https://chatgpt.com/share/6911cc4b-5d54-800b-88ae-dc7ac6ff2d3d

1. 系统调用的核心作用

提问：
系统调用的核心作用是什么？为什么 C 标准库中的很多函数需要依赖系统调用？

回答：
系统调用是C程序与操作系统内核进行通信的机制，是应用程序访问计算机硬件和系统资源（如进程、内存、文件、网络等）的唯一途径。

2. 内核管理三方面

提问：
内核在计算机系统中主要负责哪三方面的管理？你能分别简单说明它们的作用吗？

回答：
处理机、存储、设备

补充说明：

内核负责管理 进程 (Processes)、内存 (Memory) 和 硬件设备 (Hardware)。
每一项作用：
- 进程管理：加载程序、分配资源、监控状态。
- 内存管理：分配内存空间、使用虚拟内存。
- 硬件管理：通过驱动控制设备。

3. “为什么不是处理机”

提问：
我这里不明白为什么不是处理机，请讲解。

回答说明：

内核管理的是 进程的执行，而不是 CPU 硬件本身。
内核分配 CPU 时间片给进程，CPU 执行指令，但 CPU 硬件自身不受内核直接控制。
所以内核职责是 进程、内存、硬件，不是“处理机”。

4. 系统调用图解

提问：
可以画个图说明吗？

图示：

+---------------------------+
|        用户程序           |
|  （进程A、进程B……）      |
+---------------------------+
             |
             | 系统调用 / 进程请求 CPU
             v
+---------------------------+
|          内核             |
|  - 进程管理（调度、创建、终止） |
|  - 内存管理（分配、保护、虚拟内存）|
|  - 硬件管理（通过驱动控制设备） |
+---------------------------+
             |
             | 调度 CPU 执行指令
             v
+---------------------------+
|           CPU             |
|  执行指令，处理数据       |
+---------------------------+

5. system() 函数优缺点

提问：
system() 函数可以用来在 C 程序中运行其他程序。你觉得它有哪些优点和潜在的安全风险？

回答：
优点：简便
缺点：shellcode注入风险

补充说明：

system() 调用 shell 执行命令，易受命令行注入攻击。
示例：

char cmd[256];
snprintf(cmd, sizeof cmd, "ls %s", user_input);
system(cmd); // 不安全，用户输入可包含 ; && 等

安全替代：使用 fork() + exec*() 或 posix_spawn()，直接传参数数组，不通过 shell。

6. fork() 返回值

提问：
fork() 调用后如何通过返回值区分父进程和子进程？

回答：

0 → 子进程
非零正数 → 父进程（子进程 PID）
-1 → 创建失败

7. fork() 与 exec() 的配合

提问：
为什么我们常把 fork() 和 exec() 配合使用，而不是直接在父进程中调用 exec()？

回答：

exec() 会替换当前进程，如果直接在父进程调用，父进程消失，后续代码不再执行。
先 fork() 创建子进程，子进程执行 exec()，父进程继续运行，实现并发或连续操作。

8. 对话总结

回答总结：

系统调用理解正确。
内核管理三方面：进程、内存、硬件，概念比“处理机”更准确。
system() 简便但易受命令注入攻击，推荐使用 fork() + exec*()。
fork() 返回值理解正确，配合 exec() 实现子进程执行新程序而父进程继续运行。

建议：

精确使用术语（进程、内存、硬件）。
写实验程序观察 fork() + exec() 的执行。
绘制内核与 CPU、父子进程流程图帮助记忆和理解。

学习实践过程遇到的问题与解决方式

1. Windows 与类 Unix fork() 模型设计理念差异及优势

fork() 系统调用是许多类Unix系统的核心功能，但Windows原生不支持，需要Cygwin等工具进行模拟。你认为 Windows 采用的与类 Unix 系统完全不同的进程管理方式，在设计理念上有什么核心优势（或者说，它解决了类 Unix fork() 模型可能存在的哪些问题）？

类 Unix 系统（Linux、macOS 等）：

fork() 是核心进程创建机制：子进程是父进程的完整复制，包括内存空间、打开的文件描述符等。
优点：
- 很自然的并发模型，父子进程几乎完全相同。
- 与 exec() 结合，可以非常灵活地在子进程中替换程序，形成多进程服务。
缺点：
- 资源开销大：尤其是内存复制，虽然现代操作系统使用“写时复制”优化，但在大内存进程或频繁创建进程时仍有开销。
- 复杂的父子状态管理：子进程继承大量状态，可能导致资源冲突或管理难度增加。

Windows 进程模型：

Windows 不使用 fork()，而是通过 CreateProcess() 直接创建一个新进程，并可指定初始程序和参数。
核心优势：
1. 更轻量的进程创建
  - 不复制整个父进程内存空间，避免“写时复制”也可能带来的性能损耗。
2. 更明确的资源边界
  - 新进程可以指定只继承需要的句柄，不会无意中继承大量父进程状态。
3. 安全性更高
  - 避免父子进程共享过多内部状态，减少潜在的冲突和隐式依赖。
4. 适合多语言和多环境
  - Windows 的 API 直接支持指定可执行文件和启动参数，简化跨语言或跨程序调用。
总结：Windows 的设计理念是明确控制进程边界和资源继承，避免 fork() 模型可能引发的资源开销和复杂继承问题。

2. fork() 缺失对 C 程序开发或部署的影响

fork() 在Windows上的缺失是否限制了某些特定类型C程序的开发或部署？

对一般 C 程序影响有限：
- 许多 C 程序只依赖标准库和线程，或者使用 system()/CreateProcess() 执行外部命令，几乎不依赖 fork()。
对某些类型程序有限制：
1. Unix 风格的多进程服务
  - 例如 Web 服务器或守护进程利用 fork() 快速创建子进程处理请求。
  - 在 Windows 上必须改写为线程模型或使用 CreateProcess()，增加移植工作。
2. 某些工具和脚本
  - 使用 fork() + exec() 的工具链（如某些 shell 脚本、管道处理程序）无法直接在 Windows 上运行。
3. 教学或实验程序
  - 在操作系统实验、并发控制练习中，无法直接用 fork() 演示父子进程的行为。
解决方式：
- 使用 Cygwin 或 WSL 模拟 fork()。
- 使用 Windows 原生 线程、CreateProcess()、管道机制 重构程序。

本文链接

cnblogs：
- https://www.cnblogs.com/gisliw/p/19208049

参考资料

AI工具(你使用的AI工具及其链接)
- ChatGPT
图书
- 《Windows C/C++加密解密实战》

posted @ 2025-11-10 19:33 GisliW 阅读(10) 评论(0) 收藏举报

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学习内容

《Head First C 嗨翻 C 语言》第 9 章

一、系统调用和内核 (System Calls and Kernel)

二、 `system()` 函数

三、 `exec()` 家族函数

四、错误处理 (Error Handling)

五、 `fork()` 函数

AI对学习内容的总结

一、系统调用与内核机制

二、`system()` 与 `exec()` 的区别

三、`exec()` 家族函数详解

四、错误处理机制

五、`fork()`：进程创建的基础

六、进一步延伸

七、学习建议

学习思维导图

基于AI的学习

1. 系统调用的核心作用

2. 内核管理三方面

3. “为什么不是处理机”

4. 系统调用图解

5. system() 函数优缺点

6. fork() 返回值

7. fork() 与 exec() 的配合

8. 对话总结

学习实践过程遇到的问题与解决方式

1. Windows 与类 Unix fork() 模型设计理念差异及优势

2. fork() 缺失对 C 程序开发或部署的影响

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一、 系统调用和内核 (System Calls and Kernel)

二、 system() 函数

三、 exec() 家族函数

四、 错误处理 (Error Handling)

五、 fork() 函数

AI对学习内容的总结

一、系统调用与内核机制

二、system() 与 exec() 的区别

三、exec() 家族函数详解

四、错误处理机制

五、fork()：进程创建的基础

六、进一步延伸

七、学习建议

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2. 内核管理三方面

3. “为什么不是处理机”

4. 系统调用图解

5. system() 函数优缺点

6. fork() 返回值

7. fork() 与 exec() 的配合

8. 对话总结

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2. fork() 缺失对 C 程序开发或部署的影响

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二、 `system()` 函数

三、 `exec()` 家族函数

四、错误处理 (Error Handling)

五、 `fork()` 函数

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三、`exec()` 家族函数详解

五、`fork()`：进程创建的基础