2014025692 《嵌入式系统程序设计》第五周学习总结
2014025692 《嵌入式系统程序设计》第五周学习总结
本周主要在上周学习的基本的C语言文件操作函数的基础上，学习了标准I/O编程。另外，还学习了Linux操作系统的进程及其控制编程相关的知识。
一、标准I/O编程
write()、read() 等这些函数是接本的 I/O 控制，没有缓存，系统调用是操作系统直接提供的函数接口，因此运行系统调用时，过程非常繁琐，Linux 必须从用户态切换到内核态，执行相应的请求，然后再返回到用户态。而标准 I/O 处理与之相比优势在于拥有缓存，减少系统调用的次数，从而提高程序的效率。
1、3种缓冲存储
（1）全缓冲：当填满标准 I/O 缓存后才进行实际I/O 操作。存放在磁盘上的文件通常是由标准I/O 库实施全缓冲的。在一个流上执行第一次I/O 操作时，通常调用malloc()就是使用全缓冲。
（2）行缓冲：当在输入和输出中遇到行结束符时，标准 I/O 库执行I/O 操作。标准输入（scanf()）和标准输出（read()）使用的就是行缓冲。
（3）不带缓冲：标准 I/O 库不对字符进行缓冲。如果用标准I/O 函数写若干字符到不带缓冲的流中，则相当于用系统调用write()函数将这些字符全写到被打开的文件上。
2、基本操作标准 I/O 编程函数
对文件进行基本操作最常用的函数便是 fopen()、fclose()、fwrite()和fread()四个函数了， 在调用它们前必须引入 stdio.h 头文件，以下便是它们的函数原型、参数机返回值。
（一）fopen()
该函数可以指定打开文件的路径和模式。
（1）函数原型：FILE * fopen(const char * path, const char * mode)
（2）函数参数：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| path | 包含要打开的文件路径及文件名 |
| mode | 文件打开状态 |
| 其中 mode 可以定义打开文件的访问权限等，可选参数如下（在每个选项中加入 b 字符用来告诉函数库打开的文件为二进制文件）： |
| 参数 | 作用 |
|---|---|
| r／rb | 打开只读文件，该文件必须存在 |
| r+／r+b | 打开可读写的文件，该文件必须存在 |
| w／wb | 打开只写文件，若文件存在则文件长度清为0，即会擦写文件以前的内容。若文件不存在则创建该文件 |
| w+／w+b | 打开可读写文件，若文件存在则文件长度清为0，即会擦写文件以前的内容。若文件不存在则创建该文件 |
| a／ab | 以附加的方式打开只写文件。若文件不存在，则会创建该文件；如果文件存在，写入的数据会被加到文件尾，即文件原先的内容会被保留 |
| a+／a+b | 以附加方式打开可读写的文件。若文件不创建，则会建立该文件；如果文件存在，写入的数据会被加到文件尾后，即文件原先的内容会被保留 |
| （3）函数返回值： | |
| 成功：指向 FILE 的指针 | |
| 失败：NULL |
（二）fclose()
该函数可以将缓冲区内的数据全部写入到文件中，并释放系统所提供的文件
资源。
（1）函数原型：int fclose(FILE * stream)
（2）函数参数：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| stream | 已打开的文件指针 |
| （3）函数返回值 | |
| 成功：0 | |
| 失败：EOF |
（三）fwrite()
该函数数用于对指定的文件流进行写操作。
（1）函数原型：size_t fwrite(const void * ptr,size_t size, size_t nmemb, FILE * stream)
（2）函数参数：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| ptr | 存放写入记录的缓冲区 |
| size | 写入的记录大小 |
| nmemb | 写入的记录数 |
| stream | 要写入的文件流 |
| （3）函数返回值 | |
| 成功：返回实际写入的记录数目 | |
| 失败：EOF |
（四）fread()
在文件流被打开之后，该函数可对文件流进行读写等操作，其中读操作
（1）函数原型：size_t fread(void * ptr,size_t size,size_t nmemb,FILE * stream)
（2）函数参数：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| ptr | 存放读入记录的缓冲区 |
| size | 读取的记录大小 |
| nmemb | 读取的记录数 |
| stream | 要读取的文件流 |
| （3）函数返回值 | |
| 成功：返回实际读取到的 nmemb 数目 | |
| 失败：EOF |
二、Linux进程
进程是一个程序的一次执行的过程，同时也是源分配的最小单元。进程与程序的区别在于进程是动态的，而程序是静态的。
1、进程的运行状态
进程有三种运行状态，分别为等待、就绪和执行，它们的转换关系如下：
2、Linux下进程管理
可用Shell命令对进程进行简单的管理操作，最常用的命令如下：
| 命令 | 含义 |
|---|---|
| ls等shell命令 | 启动相应的进程 |
| ps | 查看系统中的进程 |
| ps -ef | 查看正在活动的进程 |
| top | 动态显示系统中的进程（q退出） |
3、Linux进程控制编程
（一）fork()
fork()函数用于从已存在的进程中创建一个新进程。新进程成为子进程，原进程为父进程。因为子进程为父进程的复制品，所以子进程除了独有的进程号、资源使用和计时器等，其余的全部与父进程一致。
（1）函数所需头文件：sys/types.h、unistd.h
（2）函数原型：pid_t fork(void)
（3）函数返回值：
| 返回值 | 含义 |
|---|---|
| 0 | 子进程 |
| 子进程ID（大于0的整数） | 父进程 |
| -1 | 出错 |
| 注意： | |
| （1）父进程的返回值则是新进程（子进程）的进程 id。将子进程id返回给父进程的理由是：因为一个进程的子进程可以多于一个，没有一个函数使一个进程可以获得其所有子进程的进程id。 |
（二）exec族函数
exec族函数提供了启动fork()创建的子进程的方法，有多个成员函数。
（1）函数所需头文件：unistd.h
（2）函数原型：
| 函数名 | 函数原型 |
|---|---|
| execlp | int execlp(const char *file, const char *arg, ...) |
| execl | int execl(const char *path, const char *arg, ...) |
| execle | int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]) |
| execve | int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]) |
| （3）函数返回值： | |
| -1：出错 | |
| （4）成员函数说明： | |
| execlp()：使用文件名在环境变量$PATH中查找可执行文件，同时使用参数列表的方式启动子进程。 |
execl()：使用完整的文件目录来查找对应的可执行文件启动子进程，文件目录开头必须使用根目录（/）。
execle()：可将环境变量添加到新建的子进程中，并启动子进程。
execve()：可以通过构造指针数组的方式向子进程传递参数，并启动子进程。
（三）终止进程函数
想要终止进程时，可以调用exit(0和_exit()两个函数，它们都可以令进程会无条件地停止剩下的所有操作，清除包括PCB 在内的各种数据结构，并终止本进程的运行。在参数方面一般使用0（表示正常结束）。但它们也有些不同之处：
exit()：需要引入头文件stdlib.h，它在调用exit 系统之前要检查文件的打开情况，把文件缓冲区中的内容写回文件，也就是能将缓冲区中的信息保存或输出等操作。
_exit(0：需要引入头文件unistd.h，调用时不会检查缓冲区，直接终止进程，并清空I/O缓冲区，也就是会令缓冲区中的信息丢失。（printf()实用的是行缓冲，在没有\n的情况下，会将当前这一行的信息存入缓冲区中，不会输出）
（四）中断进程函数
由于CPU同时只能执行一个进程，有时就需要中断现在的进程，为其他进程提供CPU执行的条件，就需要调用wait()或waitpid()函数。
（1）函数所需头文件：sys/types.h、sys/wait.h
（2）函数原型：
| 函数名 | 函数原型 |
|---|---|
| wait() | pid_t wait(int *status) |
| waitpid() | pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options) |
| （3）函数参数： | |
| wait()：status 是一个整型指针，是该子进程退出时的状态，status 若不为空，则通过它可以获得子进程的结束状态。 |
waitpid()：
Pid
pid>0 只等待进程ID 等于pid 的子进程，不管已经有其他子进程运行结束退出了，只要指定的子进程还没有结束，waitpid()就会一直等下去
pid=1 等待任何一个子进程退出，此时和wait()作用一样
pid=0 等待其组ID 等于调用进程的组ID 的任一子进程
pid<1 等待其组ID 等于pid 的绝对值的任一子进程
status 若不为空，则通过它可以获得子进程的结束状态
options
WNOHANG 若由pid 指定的子进程不立即可用，则waitpid()不阻塞，此时返回值为0
WUNTRACED 若实现某支持作业控制，则由pid 指定的任一子进程状态已暂停，且其状态自暂停以来还未报告过，则返回其状态
0 同wait()，阻塞父进程，等待子进程退出
（4）函数返回值：
wait()：
成功：已结束运行的子进程的进程号
失败：1
waitpid()：
正常：已经结束运行的子进程的进程号
使用选项 WNOHANG 且没有子进程退出：0
调用出错：1
（5）函数说明：
wait()：使父进程（也就是调用wait()的进程）阻塞，直到一个子进程结束或者该进程接到了一个指定的信号为止。如果该父进程没有子进程或者他的子进程已经结束，则wait()就会立即返回。
waitpid()：在wait()的基础上，拥有更多的选项参数，可以实现更多的功能，可以认为wait()是waitpid()的特例。
三、收获与感悟
（1）更加深入的理解了C语言对文件操作的原理及过程，体会到了标准I/O处理（fopen()、fread()等）相对于系统调用（open()、read()）的简便性。
（2）加深了对进程的理解，掌握了一系列对进程错做的函数。
（3）结合wait()和waitpid()的实例，加深了对多种缓冲区的理解。
（4）学会了新的markdown语法。
四、学习进度条
| 代码行数（新增/累积） | 博客量（新增/累积） | 学习时间（新增/累积） | 重要成长 | |
|---|---|---|---|---|
| 目标 | 5000行 | 30篇 | 400小时 | |
| 第一周 | 200/200 | 2/2 | 20/20 | |
| 第二周 | 300/500 | 2/4 | 18/38 | |
| 第三周 | 500/1000 | 3/7 | 22/60 | |
| 第四周 | 300/1300 | 2/9 | 30/90 | |
| 第五周 | 700/2000 | 3/12 | 60/150 |
五、参考资料
- 《嵌入式应用程序设计》学习指导
