Linux系统编程入门：理解内核与C语言应用

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"《Linux系统编程》是一份由邢文鹏在2014年9月27日发布的智播客教材，主要针对希望成为Linux或Unix系统程序员的学习者。该教程强调了谦虚、严谨、勤思和善问的学习态度，认为理解Linux内核的工作原理是系统函数学习的关键，而掌握C语言则是实现这一目标的基础，因为Linux内核主要用C语言编写。学习方法上，教材不会全面覆盖所有系统函数和库函数，而是侧重于介绍常用功能，帮助读者掌握基本用法，然后鼓励他们通过查阅ManPage进一步学习未提及的函数。此外，推荐读者结合《Advanced Programming in the Unix Environment》(APUE)进行深化学习，虽然APUE更全面地讲解系统函数，但其对内核原理的探讨不够深入，且假设读者有一定操作系统背景。相比之下，《Linux系统编程》更专注于Linux平台特性和内核工作原理，主要讲解x86架构，对于初学者来说，这样的定位使得内容更为具体，不易产生抽象概念的困扰。由于APUE注重跨平台兼容性，适合有经验的开发者研究函数的移植问题，而对于初学者来说，这可能会造成理解上的混乱。而《Linux系统编程》则提供了明确的Linux学习路径，适合那些想深入理解Linux内核机制和开发实践的人员。这是一份旨在通过实践和理解Linux内核工作原理，培养系统编程技能的实用教材，尤其适合想要在Linux环境下的程序员作为起点深入学习的资源。"

6 第1章文件I/O

写常规文件时，write的返回值通常等于请求写的字节数count，而向终端设备或网络写

则不一定。

1.5 阻塞和非阻塞

读常规文件是不会阻塞的，不管读多少字节，read一定会在有限的时间内返回。从终端

设备或网络读则不一定，如果从终端输入的数据没有换行符，调用read读终端设备就会阻

塞，如果网络上没有接收到数据包，调用read从网络读就会阻塞，至于会阻塞多长时间也是

不确定的，如果一直没有数据到达就一直阻塞在那里。同样，写常规文件是不会阻塞的，而

向终端设备或网络写则不一定。

现在明确一下阻塞（Block）这个概念。当进程调用一个阻塞的系统函数时，该进程被

置于睡眠（Sleep）状态，这时内核调度其它进程运行，直到该进程等待的事件发生了（比

如网络上接收到数据包，或者调用sleep指定的睡眠时间到了）它才有可能继续运行。与睡

眠状态相对的是运行（Running）状态，在Linux内核中，处于运行状态的进程分为两种情

况：

正在被调度执行。CPU处于该进程的上下文环境中，程序计数器（eip）里保存着该进程

的指令地址，通用寄存器里保存着该进程运算过程的中间结果，正在执行该进程的指令，正

在读写该进程的地址空间。

就绪状态。该进程不需要等待什么事件发生，随时都可以执行，但CPU暂时还在执行另

一个进程，所以该进程在一个就绪队列中等待被内核调度。系统中可能同时有多个就绪的进

程，那么该调度谁执行呢？内核的调度算法是基于优先级和时间片的，而且会根据每个进程

的运行情况动态调整它的优先级和时间片，让每个进程都能比较公平地得到机会执行，同时

要兼顾用户体验，不能让和用户交互的进程响应太慢。

下面这个小程序从终端读数据再写回终端。

1.5.1 阻塞读终端

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

int main(void)

{

char buf[10];

int n;

n = read(STDIN_FILENO, buf, 10);

if (n < 0) {

perror("read STDIN_FILENO");

exit(1);

}

write(STDOUT_FILENO, buf, n);

return 0;

}

执行结果如下：

1.5节阻塞和非阻塞 7

$ ./a.out

hello（回车）

hello

$ ./a.out

hello world（回车）

hello worl$ d

bash: d: command not found

第一次执行a.out的结果很正常，而第二次执行的过程有点特殊，现在分析一下：

Shell进程创建a.out进程，a.out进程开始执行，而Shell进程睡眠等待a.out进程退

出。

a.out调用read时睡眠等待，直到终端设备输入了换行符才从read返回，read只读走10

个字符，剩下的字符仍然保存在内核的终端设备输入缓冲区中。

a.out进程打印并退出，这时Shell进程恢复运行，Shell继续从终端读取用户输入的命

令，于是读走了终端设备输入缓冲区中剩下的字符d和换行符，把它当成一条命令解释执

行，结果发现执行不了，没有d这个命令。

如果在open一个设备时指定了O_NONBLOCK标志，read/write就不会阻塞。以read为例，

如果设备暂时没有数据可读就返回-1，同时置errno为EWOULDBLOCK（或者EAGAIN，这两个

宏定义的值相同），表示本来应该阻塞在这里（would block，虚拟语气），事实上并没

有阻塞而是直接返回错误，调用者应该试着再读一次（again）。这种行为方式称为轮询

（Poll），调用者只是查询一下，而不是阻塞在这里死等，这样可以同时监视多个设备：

while(1) {

非阻塞read(设备1);

if(设备1有数据到达)

处理数据;

非阻塞read(设备2);

if(设备2有数据到达)

处理数据;

...

}

如果read(设备1)是阻塞的，那么只要设备1没有数据到达就会一直阻塞在设备1的read

调用上，即使设备2有数据到达也不能处理，使用非阻塞I/O就可以避免设备2得不到及时处

理。

非阻塞I/O有一个缺点，如果所有设备都一直没有数据到达，调用者需要反复查询做无

用功，如果阻塞在那里，操作系统可以调度别的进程执行，就不会做无用功了。在使用非阻

塞I/O时，通常不会在一个while循环中一直不停地查询（这称为Tight Loop），而是每延迟

等待一会儿来查询一下，以免做太多无用功，在延迟等待的时候可以调度其它进程执行。

while(1) {

非阻塞read(设备1);

if(设备1有数据到达)

处理数据;

非阻塞read(设备2);

if(设备2有数据到达)

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