【Linux系统编程】初识系统编程

一、什么是系统编程

系统编程（System Programming）是盘算机科学中的一个重要领域，专注于开发与盘算机硬件和操作系统直接交互的软件。它涉及底层操作、资源管理、系统服务的实现，以及对硬件资源的直接控制。
系统编程（System Programming）是盘算机科学中的一个重要领域，专注于开发与盘算机硬件和操作系统直接交互的软件。它涉及底层操作、资源管理、系统服务的实现，以及对硬件资源的直接控制。以下是系统编程的详细先容：
1. 系统编程的定义

系统编程是指编写与操作系统内核、硬件装备、系统资源（如内存、CPU、I/O装备）直接交互的软件。它的主要目标是提供高效、可靠的基础办法，以支持上层应用程序的运行。

• 与应用程序编程的区别：
  
  
  
  • 应用程序编程：关注用户功能（如Web开发、移动应用开发）。
    
  • 系统编程：关注底层功能（如内存管理、进程调理、装备驱动）。
    
  
  

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2. 系统编程的特点

• 与硬件和操作系统精密相关：
  
  
  
  • 直接调用操作系统提供的API（如Linux的系统调用）。
    
  • 直接操作硬件资源（如内存、寄存器、装备控制器）。
    
  
  
• 高效性和性能优化：
  
  
  
  • 系统软件是其他应用程序运行的基础，因此对性能要求极高。
    
  • 必要优化代码以减少资源占用和提高执行服从。
    
  
  
• 低级别语言：
  
  
  
  • 通常使用C、C++、汇编语言等低级语言，因为它们提供了对硬件的直接控制本领。
    
  • 高级语言（如Python、Java）通常不恰当系统编程，因为它们的抽象层次较高。
    
  
  
• 复杂性和难度：
  
  
  
  • 涉及复杂的底层逻辑，如并发控制、内存管理、错误处理等。
    
  • 调试和测试系统程序比普通应用程序更具挑战性。
    
  
  

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3. 系统编程的应用领域

• 操作系统开发：
  
  
  
  • 编写操作系统内核、文件系统、进程调理器等。
    
  • 例如，Linux、Windows、macOS等操作系统的开发。
    
  
  
• 装备驱动程序：
  
  
  
  • 编写硬件装备的驱动程序，使操作系统能够与硬件通信。
    
  • 例如，显卡驱动、网络适配器驱动等。
    
  
  
• 嵌入式系统：
  
  
  
  • 为嵌入式装备（如智能家居、工业控制器）编写固件和底层软件。
    
  • 例如，物联网装备的开发。
    
  
  
• 系统工具和实用程序：
  
  
  
  • 编写系统管理工具，如编译器、调试器、网络协议栈等。
    
  • 例如，GCC编译器、Wireshark网络分析工具。
    
  
  
• 虚拟化和容器技术：
  
  
  
  • 实现虚拟机管理程序（如KVM、Xen）和容器引擎（如Docker）。
    
  • 例如，云盘算平台的基础办法开发。
    
  
  

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4. 系统编程的焦点概念

• 系统调用（System Call）：
  
  
  
  • 应用程序通过系统调用请求操作系统提供服务，如文件操作、进程管理、网络通信等。
    
  • 例如，在Linux中，open()、read()、write()等函数都是系统调用。
    
  
  
• 内存管理：
  
  
  
  • 管理物理内存和虚拟内存，包括内存分配、释放、分页、分段等。
    
  • 例如，C语言中的malloc()和free()函数。
    
  
  
• 进程和线程：
  
  
  
  • 管理进程的创建、调理、同步和通信。
    
  • 例如，Linux中的fork()、exec()、pthread_create()等函数。
    
  
  
• 文件系统：
  
  
  
  • 实现文件的存储、检索和管理。
    
  • 例如，Linux中的ext4、NTFS等文件系统。
    
  
  
• 网络编程：
  
  
  
  • 实现网络协议的栈和通信机制。
    
  • 例如，TCP/IP协议栈、Socket编程。
    
  
  
• 停止处理：
  
  
  
  • 处理硬件停止，以响应外部事故（如键盘输入、网络数据到达）。
    
  • 例如，Linux中的停止处理程序（ISR）。
    
  
  
• 并发和同步：
  
  
  
  • 管理多个进程或线程的并发执行，确保数据一致性和资源竞争的正确处理。
    
  • 例如，使用互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）等同步机制。
    
  
  

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5. 系统编程的工具和技术

• 编程语言：
  
  
  
  • C、C++、汇编语言是系统编程的主要语言。
    
  • Rust也逐渐成为系统编程的热门选择，因为它提供了内存安全性。
    
  
  
• 开发工具：
  
  
  
  • 编译器：GCC、Clang
    
  • 调试器：GDB、LLDB
    
  • 性能分析工具：Valgrind、Perf
    
  
  
• 操作系统API：
  
  
  
  • Linux系统调用：syscall、open、read、write
    
  • Windows API：CreateProcess、ReadFile、WriteFile
    
  
  
• 虚拟化和容器技术：
  
  
  
  • 虚拟机管理程序：KVM、Xen
    
  • 容器引擎：Docker、Kubernetes
    
  
  

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二、操作系统四大基本功能

1. 进程管理（Process Management）

• 操作系统负责创建、调理、终止进程，并管理进程之间的通信和同步。
  
• 确保CPU资源的高效使用，通过进程调理算法（如先来先服务、短作业优先、时间片轮转等）分配CPU时间。
  

2. 内存管理（Memory Management）

• 操作系统管理盘算机的主存（RAM），负责分配和接纳内存空间。
  
• 实现虚拟内存技术，允许程序使用比物理内存更大的地址空间，并通过页面置换算法（如FIFO、LRU等）管理内存页面。
  

3. 文件系统管理（File System Management）

• 操作系统提供文件存储、检索、构造和掩护的功能。
  
• 管理文件的创建、删除、读写和权限控制，确保数据的安全性和一致性。
  

4. 装备管理（Device Management）

• 操作系统管理盘算机的硬件装备，包括输入输出装备（如键盘、鼠标、打印机等）。
  
• 通过装备驱动程序与硬件交互，提供装备的停止处理、缓冲和调理功能。
  

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三、盘算机系统分层

盘算机系统通常可以分为多个层次，每一层都有其特定的功能和职责。
1. 硬件层（Hardware Layer）

• 这是盘算机系统的最底层，包括物理硬件装备，如处理器（CPU）、内存（RAM）、硬盘、输入输出装备（键盘、鼠标、表现器等）。
  
• 硬件层提供盘算机系统运行所需的物理资源。
  

2. 操作系统层（Operating System Layer）

• 操作系统层位于硬件层之上，负责管理硬件资源并提供基本的系统服务。
  
• 主要功能包括进程管理、内存管理、文件系统管理、装备管理等。
  

3. 系统软件层（System Software Layer）

• 这一层包括各种系统工具和库，如编译器、调试器、链接器、系统库等。
  
• 系统软件层为应用程序提供运行情况和开发支持。
  

4. 应用软件层（Application Software Layer）

• 这是最上层，包括各种应用程序，如办公软件、欣赏器、游戏、数据库管理系统等。
  
• 应用软件层直接为用户提供服务，满足用户的详细需求。
  

5. 用户层（User Layer）

• 用户层包括最终用户，他们通过应用软件与盘算机系统举行交互。
  
• 用户层是盘算机系统的最终服务对象。
  

这些层次之间通过接口举行交互，每一层都依赖于下层的服务，并为上层提供支持。这种分层结构使得盘算机系统的计划、开发、维护和扩展更加模块化和高效。

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四、我们如何使用呢

1.系统调用接口

操作系统提供的函数，我们称之为系统调用函数或系统调用接口，好比ls命令就是一个封装好的程序（和我们知道的a.out本质上没区别），会调用内核接口，fopen()也会调用系统库中的open()
   应用程序不能直接访问内核代码和数据，只能通过系统调用接口
  2.函数库

1）尺度C库下的printf()、scanf()等，可以跨平台使用。windows和linux都可以使用。
绝大多数尺度C库的函数会调用操作系统的提供的函数，好比printf()会调用系统库中的write()，再好比fopen()调用系统库中的open()
2）但是linux系统库下的函数不能跨平台使用，我们这里使用linux提供的。
3.shell

俗称壳，shell是用户和系统交互的前言，终端窗口不等于shell，只是打开终端会运行shell。我们敲的命令好比ls，借助shell就可以执行。shell是个统称，差别的Linux发行版运行shell差别，好比我们进程在Ubuntu运行的shell就是bash。

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