20231326《密码系统设计》十周预习报告

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学习内容

《Head First C 嗨翻 C 语言》第 10 章

1. 数据流与重定向

  • 文件描述符（File Descriptor）：进程用文件描述符表示数据流，它是一个数字，代表一条数据流 。
  • 描述符表（Descriptor Table）：进程内部用来记录文件描述符及其对应数据流的表格 。
    • 标准数据流：描述符表的前三项是固定的 ：
      • 0：标准输入（stdin），默认连接键盘 。
      • 1：标准输出（stdout），默认连接屏幕 。
      • 2：标准错误（stderr），默认连接屏幕 。
  • 重定向（Redirection）：重定向通过修改描述符表中固定编号（如1号标准输出）所对应的数据流来实现 。
  • 重定向相关的函数：
    • fileno(FILE *stream)：返回文件指针 FILE* 对应的文件描述符编号 。
    • dup2(oldfd, newfd)：复制数据流，让 newfd 指向与 oldfd 相同的数据流。这是在代码中实现重定向的关键函数，例如 dup2(fileno(f), 1) 可以将标准输出重定向到文件 f 。

2. 错误处理

  • exit(int status) 系统调用：用于快速终止程序，并设置退出状态（status）。它可以取代复杂的错误处理中的 return 语句，程序一旦调用 exit() 就会立刻终止，不需要返回主函数 。使用时需要包含 <stdlib.h> 头文件 。

3. 进程同步与控制

  • waitpid(pid_t pid, int *pid_status, int options) 函数：用于让父进程等待指定的子进程结束以后才返回 。这可以解决子进程未完成任务（如文件写入）而父进程已退出导致数据丢失的问题 。
    • pid_status 用来保存进程的退出信息，必须是指针 。
    • options 通常设为 0，表示等待进程结束 。
  • WEXITSTATUS(pid_status) 宏：用于从 pid_status 中提取子进程的退出状态（前8位），因为 pid_status 中包含了其他信息 。使用该函数需要包含 <sys/wait.h> 头文件 。

4. 管道（Pipes）

  • 管道的作用：用于连接两个进程，将一个进程的输出连接到另一个进程的输入，从而实现父子进程间的实时数据通信 。
  • pipe(int fd[2]) 函数：创建一个管道，并返回两个文件描述符 ：
    • fd[0]：管道的读取端 。
    • fd[1]：管道的写入端 。
  • 父子进程连接管道：
    • 子进程：关闭读取端 fd[0]，将标准输出（1号描述符）重定向到写入端 fd[1] 。
    • 父进程：关闭写入端 fd[1]，将标准输入（0号描述符）重定向到读取端 fd[0] 。
  • 性质：管道是单向通信的，通常在存储器中实现 。

5. 信号（Signals）

  • 信号的概念：操作系统发送给进程的通知，用于中断、终止进程或进行定时等（例如用户按下 Ctrl-C） 。
  • 发送信号：
    • kill 命令：默认发送 SIGTERM 信号，可以用来发送其他信号如 SIGINT 。SIGKILL 信号不能被捕捉或忽略 。
    • alarm(seconds) 函数：设置一个定时器，在指定时间后发送 SIGALRM 信号（闹钟信号） 。
    • raise(signal) 函数：让进程向自己发送信号 。
  • 捕捉信号（Signal Handling）：
    • 使用 sigaction 机制注册信号处理器（handler）函数来处理接收到的信号 。
    • 信号处理器函数必须接收一个 int 参数（信号编号） 。
  • 修改信号行为：
    • SIG_DFL：将信号处理方式还原为默认行为 。
    • SIG_IGN：让进程忽略某个信号 。

AI 对学习内容的总结

1. 数据流与重定向

  • 核心思想：每个进程内部通过文件描述符（数字）来管理数据流，前3个固定用于标准输入、输出和错误。

  • 重定向就是改变这些文件描述符指向的对象，例如输出到文件而不是屏幕。

  • 关键函数补充：

    • dup(oldfd)：返回一个新的文件描述符，也指向同一数据流，但不覆盖已有描述符。
    • dup2(oldfd, newfd)：可以覆盖 newfd，直接实现标准输出/输入的重定向。

  • 理解点：重定向实际上是修改了内核的文件描述符表，让操作系统认为“输出到屏幕”的数据流现在去向文件或管道。

2. 错误处理

  • exit(status)可以在任意位置快速退出程序，而不必依赖返回值逐层返回。
  • 补充：还有 _exit(status)，它会直接退出进程，不调用缓冲区刷新和 atexit 注册函数，通常在子进程中用来避免重复输出。

3. 进程同步与控制

  • 父进程使用 waitpid() 等待子进程完成，避免子进程写数据未完成父进程就退出导致数据丢失。

  • 补充点：

    • WIFEXITED(status)：检查子进程是否正常退出。
    • WIFSIGNALED(status)：检查子进程是否被信号终止。
    • 可以通过这些宏组合实现对不同退出情况的精确判断。

4. 管道（Pipes）

  • 本质：管道是内存中创建的单向缓冲区，用于进程间通信（IPC）。

  • 父子进程各自关闭不用的端，重定向标准输入输出到管道，实现数据流传递。

  • 补充：

    • 管道是半双工的（单向），如果需要双向通信，需要两个管道或使用 socketpair()。
    • 管道缓冲区有大小限制（通常4KB~64KB），超出会阻塞写操作。

5. 信号（Signals）

  • 信号是操作系统用来异步通知进程的机制，可以中断、终止或触发处理。

  • 补充理解：

    • SIGKILL 和 SIGSTOP 无法被捕捉或忽略，其他信号可以通过 sigaction 改变默认行为。
    • 信号处理函数最好不要做复杂操作，只做标记或简单处理，复杂逻辑容易导致竞态问题。
    • sigprocmask() 可以阻塞某些信号，防止在关键区域被中断。
    • 多个信号可能“合并”，有些实时信号可以排队，普通信号可能丢失。

学习思维导图

mindmap root 第10章 学习内容 数据流与重定向 文件描述符 定义 数字表示进程数据流 描述符表 标准输入 stdin 0 标准输出 stdout 1 标准错误 stderr 2 重定向 原理 修改描述符表指向 相关函数 fileno FILE stream dup2 oldfd newfd 错误处理 exit int status 快速终止程序 设置退出状态 进程同步与控制 waitpid pid pid_status options 父进程等待子进程结束 WEXITSTATUS status 获取子进程退出状态 管道 Pipes 作用 进程间通信 pipe fd 读取端 fd0 写入端 fd1 父子进程连接 子进程 关闭fd0 dup2 fd1 1 父进程 关闭fd1 dup2 fd0 0 特性 单向通信 信号 Signals 概念 操作系统发送通知 发送信号 kill命令 SIGTERM SIGINT alarm seconds SIGALRM raise signal 捕捉信号 sigaction 注册处理器 修改行为 SIG_DFL 默认 SIG_IGN 忽略

基于 AI 的学习

原对话链接：https://chatgpt.com/share/691b01b4-1b64-800b-992e-192d846b72fe

ChatGPT: 哥们，我们先从文件描述符开始：

如果你有一个文件 output.txt，你想把程序的标准输出（stdout）重定向到这个文件，你会用哪些函数或方法来实现？请描述思路，不用写完整代码。

Gisli: fopen()打开/创建并打开文件；fprint()重定向输出，dup2()重定向标准输出到文件，最后关闭文件

ChatGPT: 不错，哥们，你抓住了关键点。接下来想问你：

当你用 dup2(fileno(f), 1) 把标准输出重定向到文件后，如果程序里还有 printf() 语句，它们输出的内容会去哪儿？为什么？

Gisli: 会输入到文件f中。因为printf是标准库函数，它的输出包含在stdout内

ChatGPT: 完全正确，哥们！printf() 默认写入 stdout，而 dup2 已经把 stdout 指向了文件，所以输出自然就到了文件里。

那我问你下一个：

假设父进程创建了一个子进程去写文件，父进程立即退出，会出现什么问题？用我们学的函数，怎么解决？

Gisli: 子进程找不到父而变成僵尸进程；父必须在创建子进程后waitpid

ChatGPT: 对头，哥们，不过稍微补充一下：

如果父进程提前退出而没有调用 waitpid，子进程在结束后会暂时成为僵尸进程，系统会保留它的退出信息；父进程用 waitpid(pid, &status, 0) 就可以回收这个子进程，并通过 WEXITSTATUS(status) 获取它的退出码，避免数据丢失或僵尸进程积累。

那我问你下一个：

管道（pipe）是单向的，如果父子进程都想互相通信，单纯用一个 pipe(fd) 能实现吗？为什么？

Gisli: 不能。pipe的两个文件描述符只能是从一端将数据传输到另一端；使用双管道

ChatGPT: 完全对，哥们！单个管道只能单向传输，如果父子进程都要互发数据，就必须用两个管道，一个父→子，一个子→父。

继续问你：

当一个进程注册了一个信号处理器来捕捉 SIGINT（Ctrl-C）信号，如果用户按下 Ctrl-C，会发生什么？默认行为和处理器自定义行为有什么区别？

Gisli: 进程暂停并跳转到信号处理器的代码

ChatGPT: 没错，哥们。更精确地说：

按下 Ctrl-C 时，操作系统给进程发送 SIGINT 信号，如果你注册了信号处理器，进程会暂停当前执行流，跳转到处理器函数执行自定义逻辑。默认行为下，SIGINT 会直接终止进程；而自定义处理器可以选择忽略信号、记录信息、清理资源等，然后继续执行或退出。

那我问你一个管道操作的细节：

如果父进程在读取管道前忘记关闭写入端，会发生什么？

Gisli: 在读取消息后无休止阻塞

ChatGPT: 对头，哥们。因为管道是阻塞式的，父进程读取时，如果写入端还没关闭，内核认为可能还有数据会写入，所以 read() 会一直等下去，导致阻塞。关闭写端告诉内核“没有更多数据了”，read() 才能正常返回 EOF。

接下来问你一个关于 exit() 的：

调用 exit(status) 和直接 return 回到 main() 有什么区别？什么时候更适合用 exit()？

Gisli: exit在无论何时都可以立即终止整个程序，而return只有main函数才结束程序

ChatGPT: 完全正确，哥们。补充一点：exit() 还会调用已注册的 atexit() 函数，执行缓冲区刷新和清理工作，所以在遇到错误或需要提前退出时用 exit() 更稳妥，而 return 只是结束当前函数的执行流，通常只用于 main() 结束程序。

下一个问题：

如果你想让子进程在完成任务后通知父进程自己已经结束，除了 waitpid()，还可以用什么机制？

Gisli: 子进程在关闭前使用管道对父进程发送特定消息，表示子结束

ChatGPT: 没错，哥们！用管道可以实现子进程主动通知父进程完成任务，这比单纯依赖 waitpid 更灵活，因为父进程可以实时获取子进程的状态或数据，而不仅仅是等待退出。

接下来问你一个关于信号的：

SIGKILL 信号和 SIGTERM 信号有什么本质区别？为什么 SIGKILL 无法被捕捉或忽略？

Gisli: sigterm允许执行清理操作，而sigkill直接告诉该进程终止，资源可再分配。

ChatGPT: 对头，哥们。再补充一下：

SIGTERM 是一种可捕捉、可忽略的终止请求，进程收到后可以执行清理、保存数据、关闭文件等操作；而 SIGKILL 是操作系统强制终止信号，内核直接回收进程资源，进程完全没有机会响应或处理它，所以无法被捕捉或忽略。

接下来的问题：

如果一个进程设置了 alarm(5) 并注册了 SIGALRM 的处理器，5 秒内进程在做耗时计算，闹钟到了会发生什么？

Gisli: 终止计算，发送sigalrm信号，并跳转到信号处理函数

ChatGPT: 对头，哥们，不过稍微精确一点：

当 alarm(5) 到时，内核会向进程发送 SIGALRM 信号。如果进程正在执行耗时计算，计算会被中断（即暂停当前执行流），然后跳转到你注册的信号处理函数执行自定义逻辑。处理器执行完毕后，进程通常会继续原来的计算，除非处理器里显式退出进程。

下一个问题：

dup2(oldfd, newfd) 和直接关闭 newfd 再打开文件有什么本质区别？为什么前者更适合做重定向？

Gisli: （未回答）总结以上我的回答，对我的回答内容的准确性做出评判和学习补充建议

ChatGPT: 哥们，我来帮你总结一下你这一轮回答的情况，并给出一些学习建议：

一、回答准确性总结

  1. 文件描述符与重定向：回答准确，理解 printf() 输出会跟随 stdout 改变。
  2. 进程同步与 waitpid()：基本正确，可进一步补充 WEXITSTATUS() 获取退出码。
  3. 管道通信：理解单向、双向管道及阻塞行为，可结合 EOF 和非阻塞模式深入。
  4. 信号处理：理解信号中断执行流和默认行为，自定义处理器理解正确。
  5. exit() vs return：理解到位，可补充 atexit() 清理机制。
  6. 子进程通知父进程：管道方案可行，可结合信号提高灵活性。
  7. dup2() 与直接关闭再打开的区别：尚未回答，但理解重定向流程已打基础。

二、学习补充建议

  1. 加深系统调用与库函数关系理解。
  2. 多练习管道和信号交互场景。
  3. 关注边缘情况，如阻塞、僵尸进程、信号嵌套。
  4. 理解 dup2() 的优势：安全高效，直接重定向。

总体来看，对第十章概念掌握不错，理解流程清晰。结合实验可加深对 Unix/Linux 系统编程的理解。

学习实践过程遇到的问题与解决方式

问题一：管道的缓冲与死锁风险

管道（Pipe）在内核中通常有一个固定的缓冲区大小（例如 64KB）。如果在父进程和子进程使用管道进行通信时，其中一个进程（比如子进程）写入了大量数据，但另一个进程（父进程）没有及时读取，会发生什么？如果写入的数据量超过了缓冲区大小，程序会不会阻塞（死锁）？如果是，这种阻塞是发生在写入端还是读取端？

  1. 管道缓冲区限制

    • 在 Linux 中，管道通常有一个固定大小缓冲区（如 64KB）。
    • 当子进程写入数据时，如果缓冲区还有空余空间，写操作会立即成功。

  2. 缓冲区满时

    • 如果写入的数据量超过缓冲区剩余空间，写操作会阻塞，直到有空间可用（也就是父进程开始读取数据，释放缓冲区）。
    • 阻塞发生在写入端，因为内核会等待缓冲区腾出空间。
    • 读取端通常不会阻塞，除非管道为空且进程尝试读取数据（会等待写入端写入）。

  3. 死锁风险

    • 如果父进程完全不读取，而子进程持续写入大量数据，就会导致子进程阻塞，甚至程序陷入死锁（尤其是双向管道且两个进程都在等待对方写入/读取时）。
    • 所以在设计进程通信时，必须保证及时读取或采用非阻塞/异步 I/O，避免阻塞累积。

问题二：dup2 的原子性与线程安全

我们知道 dup2(oldfd, newfd) 是实现重定向的关键。假设一个进程是多线程的，并且在 A 线程中调用 printf() 正在向标准输出（描述符 1）写入数据，而 B 线程同时调用 dup2(new_fd, 1) 来重定向标准输出。请思考：

  1. dup2 操作本身是原子性的吗？
  2. 在上述场景中，printf() 输出的数据流向是否会产生竞争条件或不可预测的结果（例如，部分数据写入旧目标，部分数据写入新目标）？

  1. dup2 原子性

    • dup2(oldfd, newfd) 本身是原子操作：内核会立即让 newfd 指向 oldfd 对应的文件表项。
    • 但是，它只保证文件描述符表的修改是原子性的，不保证应用层多线程的 printf 与 dup2 调用之间的数据完整性。

  2. 多线程同时操作标准输出

    • 如果 A 线程在调用 printf() 写数据，而 B 线程同时执行 dup2(new_fd, 1)，可能会产生以下情况：

      • A 线程正在写的数据可能被写入旧文件描述符对应的文件/终端。
      • 随后 B 线程完成 dup2，之后的 printf 输出会写入新目标。

    • 结果：数据流向可能混杂（部分写到旧输出，部分写到新输出），形成竞争条件。

  3. 解决方法

    • 在重定向前，最好暂停其他线程的输出操作，或者在单线程环境下执行重定向。
    • 对标准输出使用线程锁（mutex）保护 printf 调用和重定向操作，也可以避免数据错乱。

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参考资料

posted @ 2025-11-17 19:14  GisliW  阅读(2)  评论(0)    收藏  举报