Linux实验指导书

Linux程序设计

实验指导书

计算机应用系

2012年11月

实验一：Linux常用命令及编程环境

1.实验相关知识简述

Unix/Linux环境下使用C语言程序开发的项目主要经历设计、开发、调试、集成、部署和维护几个阶段。目前典型的开发环境，主要使用vi、emacs、gedit等文字编辑工具完成源代码的编辑工作；通过指定不同的GCC编译器编译选项指定编译结果，根据编译器提示改正程序中的语法错误，最终生成符合目标要求的可执行二进制文件；当可执行文件执行结果与预期结果不一致时，使用GDB调试器跟踪程序执行过程，查看中间变量，改正源程序中存在的逻辑错误。在大型项目管理中，由于文件较多，整个编译过程费时较长，安装、调试难度较大。为解决手工管理效率低下的问题，引入Make工具，将项目编译、安装、维护等工作以脚本的形式组织在Makefile中，从而简化项目维护成本。手工编写Makefile脚本难度较大且不利于统一规范，推荐使用Autotools工具集直接生成。本实验仅设置手工编辑、编译Linux C源代码，生成可执行文件并调试。

GNU CC（简称为GCC）是GNU 项目中符合ANSI C 标准的编译系统，能够编译用C、C++和Object C 等语言编写的源程序。GCC也可理解为一个工具集合，包含多个编译相关工具，如gcc编译C语言源程序，g++编译C++语言源程序，ld链接器等。在编译C语言程序时，可直接使用gcc指令通过配置不同的参数选项达到指定GCC工具集的目的。

GCC的常用选项如表1.1所示

表1.1 GCC常用选项

功能选项描述

与编译相关的GCC 选项-c 只是编译不链接，生成目标文件“.o”

-S 只是编译不汇编，生成汇编代码

-E 只进行预编译，不做其他处理

-g 在可执行程序中包含标准调试信息

-o file 把输出文件输出到file 里

-v 打印出编译器内部编译各过程的命令行信息和编译器的版本-I dir 在头文件的搜索路径列表中添加dir 目录

-L dir 在库文件的搜索路径列表中添加dir 目录

-static 链接静态库

-llibrary 连接名为library 的库文件

报警与出错相关的-ansi 支持符合ANSI 标准的C 程序

-pedantic 允许发出ANSI C 标准所列的全部警告信息

GCC选项-pedantic-error 允许发出ANSI C 标准所列的全部错误信息

-w 关闭所有告警

-Wall 允许发出Gcc 提供的所有有用的报警信息

-werror 把所有的告警信息转化为错误信息，并在告警发生时终止编

译过程

与体系结构相关的GCC选项-mcpu=type 针对不同的CPU 使用相应的CPU 指令。可选择的type 有i386、i486、pentium 及i686 等

-mieee-fp 使用IEEE 标准进行浮点数的比较

-mno-ieee-fp 不使用IEEE 标准进行浮点数的比较

-msoft-float 输出包含浮点库调用的目标代码

-mshort 把int 类型作为16 位处理，相当于short int

-mrtd 强行将函数参数个数固定的函数用ret NUM 返回，节省调用函数的一条指令

使用GCC注意事项：

1）GCC指令的一般格式为：Gcc [选项] 需编译的文件[选项] [目标文件] ，其中，目标文件可缺省，GCC默认生成可执行的文件名为a.out。执行时时使用指令./a.out;

2）在include 语句中，“<>”表示在标准路径中搜索头文件，““””表示在当前目录中搜索。

故代码中使用“#include”，就需要添加GCC编译选项“-I”指定myhead.h 所在路径；

3）选项“-L dir ”的功能与“-I dir”类似，在编译时指定所需库文件路径，-l指定相应的库名称。Linux下的库文件命名时规定：必须以lib字母组合开头，后接库名称。因此用-l 选项指定链接库名为libsunq.so ，在命令中选项写为-lsunq;

GDB调试相关命令汇总如表1.2所示

表1.2 GDB相关命令汇总

功能命令描述

单步执行与函数跟踪backtrace（或bt）查看各级函数调用及参数

finish 执行到当前函数返回，然后停下来等待命令

frame（或f）帧编号选择栈帧

info（或i）locals 查看当前栈帧局部变量的值

list（或l）列出源代码，接着上次的位置往下列，每次列10行list 行号列出从第几行开始的源代码

list 函数名列出某个函数的源代码

next（或n）执行下一行语句

print（或p）打印表达式的值，通过表达式可以修改变量的值或者

调用函数

set var 修改变量的值

start 开始执行程序，停在main函数第一行语句前面等待命

令

step（或s）执行下一行语句，如果有函数调用则进入到函数中

断点break（或b）行号在某一行设置断点

break 函数名在某个函数开头设置断点

break...if... 设置条件断点

continue（或c）从当前位置开始连续而非单步执行程序

delete breakpoints 删除断点

display 变量名跟踪查看一个变量，每次停下来都显示它的值

disable breakpoints 禁用断点

enable breakpoints 启用断点

info（或i）breakpoints 查看当前设置了哪些断点

run（或r）从头开始连续而非单步执行程序

undisplay 取消对先前设置的那些变量的跟踪

观察点watch 设置观察点

info（或i）watchpoints 查看当前设置了哪些观察点

x 从某个位置开始打印存储器的一段内容，全部当成字

节来看，而不区分哪些字节属于哪些变量

GDB使用注意事项：

1）在Gcc 编译选项中一定要加入“-g”；

2）只有在代码处于“运行”或“暂停”状态时才能查看变量值；

3）设置断点后程序在指定行之前停止；

2.实验目的

1）掌握Linux C开发过程中的基本概念；

2）掌握如GCC，GDB等开发工具的使用；

3.实验内容

将参考代码录入到greet.c文件中，编译执行后发现结果与预期不一致，请使用GDB调试，完成字符串反序输出功能；

4.参考代码

5.实验扩展思考

1）如何使用GCC将一组功能相关的源文件编译成相应库文件（静态库或动态库自行选择），并使用代码形式演示如何使用编译好的库？

2）分析以下代码，完成指定范围内数值累加功能：

#include

int add_range(int low, int high)

{

int i, sum;

for (i = low; i <= high; i++)

sum = sum + i;

return sum;

}

int main(void)

{

int result[100];

result[0] = add_range(1, 10);

result[1] = add_range(1, 100);

printf("result[0]=%d\nresult[1]=%d\n", result[0], result[1]);

return 0;

}

实验二：文件I/O操作

1.实验相关知识简述

“文件”是Unix/Linux平台的核心概念之一。广义理解，可将普通文件、目录、设备、管道……均视为文件（Everything is File）；狭义理解，文件仅代表普通文件。涉及具体上下文时，需要结合语义对其进行区分。

Unix/Linux相关文件系统在组织文件时，将文件的数据与属性分离。目录文件中记录子目录及所属文件的文件名和相应i节点，由i节点记录相应的数据存储位置及文件属性。针对文件内容时行操作时，一般需要经历步骤为：打开/创建文件→操作文件→关闭文件。

打开/创建文件推荐使用系统调用open，若仅需新建文件，亦使用creat系统调用，但creat 不负责打开文件。为保证程序运行时无异常发生，程序员必须对open返回值进行判断，若返回值为-1意味着文件打开失败，其原因或为进程已打开的文件数目超出可打开文件的最大值，或为相应路径下无对应文件（注意：Unix/Linux文件名区分大小写）；当open调用成功时，将返回一个由内核管理生成的非负整型数值，对应术语为文件描述符（File Descriptor）。对文件内容操作时，文件描述符将自动维护文件读写指针。换句话说，多个进程可同时打开一个文件，并在各自的文件读写指针位置进行相应操作，程序员有责任对其进行合理规划，以保证数据有效性。

进程创建时，Linux内核将值为0,1,2这三个文件描述符预分配给标准输入设备、输出设备和错误输出设备。若使用dup系统调用，可干预内核分配文件描述符，从而达到文件重定向的目的。

open语法要点如表2.1所示：

表2.1 open语法要点

头文件#include #include #include

功能打开或创建文件

函数原型int open(const char* path, int flags)

int open(const char* path, int flags, int perms)

参数说明path 需打开或创建的文件路径名

flags 文件打开方式：

O_RDONLY:只读方式

O_WRONLY:只写方式

O_RDWR:读写方式

O_CREAT:如果文件不存在就创建文件，并以参数perms设置

文件权限

O_EXCL:测试文件是否存在，如果O_CREAT创建文件时，文

件已存在则返回错误消息

O_TRUNC:如果文件存在，打开文件后将已存在的文件内容删

除，并定位于文件开始处

O_APPEND：打开文件，在尾部添加内容

perms 新建文件时以八进制方式设置文件权限属性，只用于读或写时此参数可省略

函数返回值成功：返回打开或新建文件的文件描述符失败：-1

文件内容读写时，内核负责内存与文件所在存储设备之间的数据流动。程序员负责规划代表文件读或写时使用的缓冲区大小与类型，其类型设置，通常与操作的目标文件类型相关。l 当操作以二进制为单位存储的文件时，内存缓冲多使用byte类型数组；

l 在操作以字符为单位的存储文件时，内在缓冲多使用char类型数组；

注意：若违反文件编码方案，文件内容显示乱码；

表2.2 read语法要点

头文件#include

函数原型ssize_t read(int fd, void* buffer, size_t len)

功能读取文件内容

函数参数fd 所读文件的文件描述符buffer 存放文件读取内容的缓冲len 缓冲长度

函数返回值成功：返回实际读取的字节数（不大于len），0表示到达文件结束位置; 失败：-1

表2.3 write 语法要点

头文件#include

函数原型ssize_t write(int fd, void* buffer, size_t len) 功能写文件内容

函数参数fd 所写文件的文件描述符buffer 需写入文件的内容缓冲len 缓冲长度

函数返回值成功：返回实际实际写入文件的字节数（＝len）; 失败：-1

文件定位系统调用lseek实现文件读写指针在文件中移动。移动过程由文件读写指针当前位置及偏移量两部分组成。偏移量为正，表示从当前位置向后移动。若超出文件大小时，将出

现“空洞”；偏移量为负，表示从当前位置向前移动，若超出文件开始位置，将定位于文件开始位置；

表2.4 lseek语法要点

头文件#include

#include

函数原型off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence) 功能文件读写指针定位

函数参数fd 所需定位文件的文件描述符

offset 针对whence的偏移量

>0，向后

<0，向前

whence 偏移时的基点

SEEK_SET:文件开头

SEEK_CUR:文件读或写的当前位置

SEEK_END:文件结束位置

函数返回值成功：偏移量; 失败：-1

文件关闭close系统调用将通知内核实现内存与文件存储设备实现数据同步，并释放与此文件描述符相关的数据结构。

表2.5 close语法要点

头文件#include

函数原型int close(int fd)

参数说明fd 需关闭的文件描述符

函数返回值成功：返回0 失败：-1

2.实验目的

1）掌握Linux中系统调用、文件描述符的基本概念；

2）掌握文件I/O的基本系统调用，如open, read, write, lseek, close等；

3.实验内容

将源文件中最后10KB字节拷贝到目标文件中；

4.参考代码

5.实验扩展思考

1）文件进行拷贝操作时，程序设置缓冲大小对文件读写效率有何影响？如何确定缓冲大小？请使用代码验证？

2）文件定位时偏移量出现以下异常情况，如文件大小为50KB，当前读写位置于25KB时，若向前或向后偏移30KB时，lseek如何处理？

3）目前网络环境下载文件常使用多线程下载工具，若使用实验中涉及文件I/O，请使用伪代码简要说明设计思路？

实验三：文件属性及目录操作

1.实验相关知识简述

Linux平台上将目录当作一种特殊的文件进行处理，目录文件以记录的形式存储子目录或文件的i节点及对应的文件名。为方便实现类UNIX操作系统间的程序移植，提供目录文件操作函数，如opendir, readdir, seekdir和closedir等。目录文件记录以数据结构struct dirent保存，其结构体定义如表3.1所示。i节点的主要作用是记录文件属性及其数据存储于文件系统中的位置，其结构体定义如表3.2所示。

表3.1 目录相关操作的核心数据结构:struct dirent

头文件#include

功能dirent结构体代表目录文件中的目录项

数据结构struct dirent {

ino_t d_ino; /* inode number */

off_t d_off; /* offset to the next dirent */

unsigned short d_reclen; /* length of this record */

unsigned char d_type; /* type of file; not supported by all file

system types */

char d_name[256]; /* filename */

};

表3.2 文件属性核心数据结构struct stat

头文件#include

功能stat结构体代表文件的属性集合

数据结构struct stat {

dev_t st_dev; /* ID of device containing file */

ino_t st_ino; /* inode number */

mode_t st_mode; /* protection */

nlink_t st_nlink; /* number of hard links */

uid_t st_uid; /* user ID of owner */

gid_t st_gid; /* group ID of owner */

dev_t st_rdev; /* device ID (if special file) */

off_t st_size; /* total size, in bytes */

blksize_t st_blksize; /* blocksize for file system I/O */

blkcnt_t st_blocks; /* number of 512B blocks allocated */

time_t st_atime; /* time of last access */

time_t st_mtime; /* time of last modification */

time_t st_ctime; /* time of last status change */ };

本实验中涉及关键函数及语法如下所示：

表3.3 目录操作函数语法要点

头文件#include #include

函数原型打开目录文件

DIR opendir(const char* dirname) 返回目录中的当前目录项struct dirent* readdir(DIR* dirp) 关闭目录文件

int closedir(DIR* dirp);

参数说明dirname 目录文件路径dirp 目录文件指针

函数返回值opendir返回值非空代表打开目录成功，返回目录流指针（DIR*）；当返回为NULL表示目录打开失败，errno重置，失败主要原因如下：

EACCES Permission denied.

EBADF fd is not a valid file descriptor opened for reading.

EMFILE Too many file descriptors in use by process.

ENFILE Too many files are currently open in the system.

ENOENT Directory does not exist, or name is an empty string.

ENOMEM Insufficient memory to complete the operation.

ENOTDIR name is not a directory.

readdir成功时返回指向目录项（struct dirent）指针，返回NULL表示已读取到目录流结尾

closedir执行成功，返回0；失败：-1

表3.4 stat操作要点

头文件#include

功能获取文件属性

函数原型int stat(char* fname, struct stat* bufp);

参数说明fname 文件名

bufp 指向stat结构体的指针

函数返回值成功：返回0；失败：-1

在头文件中，通过掩码定义实现POSIX 支持的若干种文件类型判断，其判断基础为struct stat 中st_mode 成员（如图3.1所示）

图3.1 文件类型及许可权限

对应文件类型判定宏为如下所示： S_ISREG(m) is it a regular file? S_ISDIR(m) directory? S_ISCHR(m) character device? S_ISBLK(m) block device? S_ISFIFO(m) FIFO (named pipe)?

S_ISLNK(m) symbolic link? (Not in POSIX.1-1996.) S_ISSOCK(m) socket? (Not in POSIX.1-1996.)

2.实验目的

1）理解Linux 中的目录及i 节点等基本概念；

2）掌握目录的读写时常用的函数，如opendir, readdir, closedir 等； 3）掌握文件属性的读取方法，如stat ； 4）掌握掩码技术，可实现对比特位操作；

3.实验内容

可识别用户输入路径对应文件的类型，若为目录则读取相应子目录及文件名；若为文件，则读取其i 节点号和文件大小属性；

u g s r w x r w x r w x

type

user

group

other

suid sgid sticky

4.参考代码

5.实验扩展思考

1）目录在Linux平台被认为是一种文件类型，能否使用文件I/O系统调用，如open，read，

write，close进行目录操作？如果能，为何还提供诸如opendir等函数定义，这些实现有何意义？

2）在本实验的基础之上进行改进，要求递归打印指定目录下所有子目录的文件名？

3）总结掩码实现比特位操作时，置位操作和清零操作的具体实现表达式？

实验四：进程控制

1.实验相关知识简述

进程代表一个程序的一次执行过程，是一个动态的概念，涉及程序运行时执行状态和所使用的资源的管理。在进程控制中，进程主要以三种状态出现：就绪、执行和阻塞，其转换关系如4.1所示。

就绪

运行阻塞

时间片到

调度因等待资源分配而唤醒

因等待资源而阻塞

图4.1 进程状态转换

Linux 系统将进程的执行划分为用户模式和内核模式。当用户执行应用程序或内核以外的其它程序时，进程运行在用户空间；反之，则运行在内核空间。当用户进程需要内核提供功能支持时，可通过中断或系统调用进入内核空间。 在Linux 下进程的结构如图4.2所示：

存入传递参数及环境变量

栈

堆

BSS 数据段数据段（可读/只读）

代码段

高地址

低地址存放未初始化的全局变量

存放静态初始化的全局变量或常量

存放程序可执行代码

存放子程序的返回地址、参数和局部变量

存放动态分配的数据

图4.2 Linux 进程映像示意图

本实验中涉及关键函数及语法如下所示：

头文件#include 函数原型pid_t fork(void)

功能创建进程

函数返回值fork返回值有三种情况：

（1）创建新进程失败，返回-1；

（2）父进程返回新建子进程标识符（pid）（3）子进程返回0

表4.2 exec函数族语法要点

头文件#include

函数原型int execl(const char* path, const char* arg,…);

int execv(const char* path, char* const argv[ ]);

int execle(const char* path, const char* arg,…, char* const envp[ ]);

int execve(const char* path, char* const argv[ ] , char* const envp[ ]); （*）int execlp(const char* file, const char* arg,…);

int execvp(const char* file, char* const argv[ ]);

功能在指定路径中查找并执行文件

参数说明path/file 执行文件对应的路径或文件名

arg/argv 执行文件所用参数，分别使用列表或向量形式组织

envp 执行文件所用环境变量

函数返回值exec返回值返回-1表明查找并执行对应文件失败；

exec函数族小结：exec函数族前4个字符串一定为exec；第5个字符可为l或v，分别代表列表（list）和向量（vector）。列表以可变参数的形式出现，最后一项为NULL；向量以数组的形式出现，对应的字符串数组最后一项为NULL，表明数组结束；第6个字符可为e或p，为e表明指定进程执行时的环境变量，为p则说明查找文件名而不是路径。

表4.3 wait语法要点

头文件#include #include

功能阻塞进程，等待进程结束

函数原型pid_t wait(int* statusptr);

参数说明statusptr 子进程的运行结果

函数返回值wait返回值有二种情况：

4）阻塞当前进程，执行失败，返回-1；

5）阻塞当前进程，当某子进程结束返回该子进程id，取消阻塞

相关函数watipid(2),wait3(2)

头文件#include

功能终止当前进程

函数原型void exit(int status)

参数说明status 进程终止状态

函数返回值无

相关函数_exit(2), atexit(3), on_exit(3)

2.实验目的

1）深入理解进程控制相关概念；

2）掌握守护进程及Linux进程之间的关系；

3）掌握进程控制时常用的函数，如fork, wait, exec,exit等；

3.实验内容

某进程创建一子进程，子进程运行“ls -l”指令。要求父进程先以阻塞方式等待子进程结束，当该子进程正常退出后，父进程再创建新的子进程，反复打印“child2 process is active!”；此时结束父进程，并观察子进程的运行情况；

4.参考代码

5.实验扩展思考

1）父进程在创建子进程后结束，子进程将由init进程托管，称之为守护进程。请分析实验代码，指出那个进程可称为守护进程？

2）用户使用Ctrl+C信号可实现终止程序，在本实验中为何无法实现终止子进程2,请分析原因，并说明此类应用的合理场景？

3）请查阅man手册，实现以下场景：父进程创建多个子进程，阻塞自身至指定子进程结束？

实验五：进程间通信

1.实验相关知识简述

进程拥有独立的运行空间，彼此隔离。但实际开发过程中，常常需要两个或多个进程间进程数据通信，UNIX/Linux提供相应的技术手段，习惯上称之为IPC（Inter-Processing Communication）。Linux IPC技术来源四个方面：传统UNIX的进程间通信、System V进程间通信、POSIX进程间通信和Socket通信。

（1）UNIX IPC主要提供管道、命名管道（FIFO）和信号；

（2）System V IPC主要提供System V消息队列、System V信号量和System V共享内存；（3）POSIX IPC主要提供POSIX消息队列、POSIX信号量和POSIX共享内存；

常用的IPC技术特点如下：

1）管道（Pipe）：存在于内核，父子进程间无格式字节通信

2）命名管道（FIFO）：类似管道，存在文件系统中，任意进程间通信

3）信号（Signal）：软件模拟中断机制，多用于事件处理

4）消息队列（Messge Queue）：按键值随机访问，消息追加到队列的尾部

5）共享内存（Shared memory）：若干进程将一块物理内存映射到进程自身空间中，用于数据读写，多与同步机制（互斥锁或信号量）结合使用

6）信号量（Semaphore）：进程或线程针对临界资源访问的同步或互斥实现

7）套接字（Socket）：网络中位于不同机器的进程之间的通信

本实验中涉及关键函数及语法如下所示：

表5.1 pipe语法要点

头文件#include

函数原型int pipe(int array[2])

功能创建管道

参数说明array：文件描述符数组，其中array[0]只读，array[1]只写

函数返回值若创建管道失败，返回-1；创建成功，返回0

特别注意：

1)系统调用fork之前必须先调用pipe，否则子进程将不会继承父进程提供的文件描述符；

2)读一个写端已关闭的管道时，在所有数据被读取后，read返回0表示达到文件结束处；

3)写一个读端已关闭的管道时，产生信号SIGPIPE。若忽略或捕捉该信号并从处理程序中

返回时，write出错返回,errno设置为EPIPE；

4)父子进程并发运行，需同步机制保证读写次序；

5)管道不可定位(lseek)；