APUE全书精华总结：Unix系统编程深度解析

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"APUE读书笔记概述" 《APUE》（Advanced Programming in the Unix Environment）是Linux和Unix系统编程的经典教材，这本书深入浅出地讲解了Unix环境下的高级编程技术。以下是对书中各章节核心知识点的详细说明： **第一章Unix基础** 1. **Unix手册页**：Unix系统提供了丰富的手册页，分为多个部分，详细介绍了命令、系统调用、库函数等使用方法。 2. **系统调用与库函数**：系统调用是操作系统提供给用户的接口，而库函数是对系统调用的封装，方便开发者使用。 3. **文件和目录**：包括文件的创建、打开、关闭以及目录的操作。 4. **输入和输出**：涉及标准输入输出、重定向、管道和重叠I/O等。 5. **程序与进程**：讲解进程的创建、管理、通信和同步。 6. **程序线程**：介绍多线程编程，包括线程的创建、同步和通信。 7. **异步、并发、通信**：讨论Unix中的并发执行模型和进程间通信机制，如管道、消息队列、共享内存等。 8. **出错处理**：如何正确处理运行时错误，如错误检测、错误码、异常处理等。 9. **Unix用户和用户标识**：讲解用户、用户组、权限和访问控制。 10. **信号**：信号是Unix系统中进程间通信的一种方式，用于进程间的协调和异常处理。 11. **Unix系统时间**：包括时间表示、时间操作函数以及定时器。 **第二章Unix标准化及实现** 1. **主要标准**：如POSIX、Single UNIX Specification等，它们定义了Unix系统的规范。 2. **主要Unix系统实现**：介绍不同Unix变种的特点和差异。 3. **系统资源限制**：如何限制进程使用的资源，如内存、文件描述符等。 4. **POSIX选项**：不同的Unix系统对POSIX标准的支持程度。 5. **功能测试宏**：通过宏检查系统是否支持特定功能。 6. **基本系统数据类型**：在Unix中用于表示各种数据结构的内置类型。 **第三章文件I/O** 1. **文件描述符**：每个打开的文件或设备都有一个唯一的文件描述符。 2. **open函数**：用于打开文件并返回文件描述符。 3. **creat函数**：创建新文件或覆盖已存在文件。 4. **close函数**：关闭文件描述符，释放系统资源。 5. **lseek函数**：改变文件读写位置。 6. **read和write函数**：进行文件的读写操作。 7. **pread和pwrite函数**：原子性地读写文件的指定位置。 8. **dup和dup2函数**：复制文件描述符，实现文件描述符的传递。 9. **sync、fsync和fdatasync函数**：确保数据写入磁盘。 10. **fcntl函数**：用于文件描述符的控制操作。 11. **ioctl函数**：设备驱动特定的控制操作。 **第四章文件和目录** 1. **stat、fstat和lstat函数**：获取文件或链接的状态信息。 2. **文件访问权限**：读、写、执行权限的设定和检查。 3. **文件尺寸**：获取和修改文件大小。 4. **Unix文件系统基本概念**：文件系统结构、文件类型等。 5. **硬链接**：文件的不同名称，共享同一 inode。 6. **符号链接**：指向另一个文件名的软链接。 7. **文件重命名**：rename函数用于改名。 8. **文件时间**：修改和查询文件的访问、修改和创建时间。 9. **目录访问**：目录的读、写、执行权限。 10. **设备文件**：特殊文件，用于硬件设备的访问。 11. **其他文件**：如套接字、管道等特殊类型的文件。 **第五章标准I/O库** 1. **文件流和FILE指针**：标准I/O库提供的抽象，简化了文件操作。 2. **stdin、stdout和stderr**：预定义的标准输入、输出和错误流。 3. **缓冲方式**：标准I/O库的缓冲策略，包括全缓冲、行缓冲和无缓冲。 4. **文件流操作**：打开、读写和关闭文件流。 5. **文件流定位**：使用fseek、ftell等函数移动文件流的位置。 6. **格式化函数**：printf和scanf系列函数用于格式化输入输出。 7. **关联文件流到文件描述符**：通过fdopen函数将文件描述符转换为文件流。 8. **创建临时文件**：创建临时文件以避免文件名冲突。 **第六章系统数据文件和信息** 1. **主要的系统数据**：如/etc/passwd、/etc/group等系统配置文件。 2. **utmp和wtmp文件**：记录用户登录和退出信息。 3. **系统标识uname**：获取系统信息，如内核版本、主机名等。 4. **时间和日期**：时间的表示和操作，包括time、localtime、gmtime等函数。 5. **proc文件系统**：提供进程和系统状态信息的虚拟文件系统。 **第七章进程环境** 1. **进程的启动和终止**：包括进程创建（fork、vfork、exec）和终止（exit、abort等）。 2. **命令行参数和环境变量**：如何获取和使用命令行参数及环境变量。 3. **Unix中C程序的存储空间**：堆、栈、全局变量等存储区域的分布和管理。 4. **设置和获取系统资源**：如限制进程的内存使用、CPU时间等。这些内容涵盖了Unix系统编程的基础和进阶知识，是理解和开发Unix/Linux程序的基石。通过深入学习和实践，开发者可以编写出高效、可靠的系统级程序。

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3、创建新文件：creat 函数

#include <fcntl.h>

int creat(const char *filename, mode_t mode);

据记载这个函数的名字确实是当年实现时的拼写错误，而一直被后世沿袭。它以只写方式创建并打

开一个新文件，如果文件已存在，则文件被截短为 0。相当于执行了

open(pathname, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, mode);

4、关闭文件：close 函数

#include <unistd.h>

int close(int filedes);

关闭指定的文件描述符。同时，如果进程在此文件上加有记录锁，将释放。

在进程终止时，内核将自动关闭进程打开的文件。

5、定位文件：lseek 函数

#include <unistd.h>

off_t lseek(int filedes, off_t offset, int whence);

lseek 执行时，将文件 filedes

的当前读写位置更改到相对 whence

指定的位置 offset

处的地方。

whence 包括了 SEEK_SET（文件开始）、SEEK_END（文件末尾）、SEEK_CUR（当前），后两者的

offset

可以是负数。offset

的类型 off_t 通常定义为一个机器字的长度（一般 typedef 自 long 类型，因为根

据标准 C，long 在任何机器上都是和机器字的长度相同的。对于 32 位平台则为 4 个字节）。

lseek 成功时将返回相对于文件开始处的偏移量（可能是负数），失败返回-1 并设置 errno。在文件是

FIFO、管道或者套接字时，lseek 将失败并设置 errno 为 ESPIPE（Illegal seek）。

lseek 只更改进程打开文件的状态，并不会引起 I/O 操作。

6、读文件数据到缓冲区（输入操作）：read 函数

#include <unistd.h>

ssize_t read(int filedes, void *buf, size_t nbytes);

read 按指定的字节数 nbytes

从文件 filedes

的当前位置处读取数据，输入到缓冲区 buf

中。

其返回值：

为正数时：为实际读取的字节数，

为 0 时：已经读到 EOF；

为-1 时：调用失败，同时 errno 被设置。

如果文件打开时未指定 O_NONBLOCK 标志，对其的 read 调用可能发生阻塞等待可读。阻塞时如果

进行了信号捕捉，read 将直接失败。

注意参数 nbytes

的类型为无符号的 size_t（即必须为正整数），而返回值是有符号的 ssize_t。

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7、从缓冲区写数据到文件（输出操作）：write 函数

#include <unistd.h>

ssize_t write(int filedes, const void *buf, size_t nbytes);

write 按指定的字节数 nbytes

从 buf

处取数据，输出到文件 filedes

的当前位置处，如果已经到文件末

尾，将增加文件长度并在最后添加 EOF 标志。

其返回值：

为正数时：为实际写入的字节数，

为-1 时：函数出错，同时 errno 被设置。

read 和 write 操作一次写入数据的大小将会影响其 I/O 效率，通常按文件系统的块大小(文件 stat 结

构的 st_blksize)设置。

8、定位同时读写文件的原子操作：pread 和 pwrite 函数

#include <unistd.h>

ssize_t pread(int filedes, void *buf, size_t nbytes, off_t offset);

ssize_t pwrite(int filedes, const void *buf, size_t nbytes, off_t

offset);

这两个函数先将文件位置定位到距开始 offset

处，然后对其按给定参数进行读/写。这两个步骤是原

子操作，这意味这要不这些步骤一次性全部执行，要不就不执行。如果不是原子操作，则可能会由于内

核调度或者信号处理等原因，使其他进程插到几个步骤之间更改所操作对象的状态，而引起后续操作发

生意外。

9、复制文件描述符：dup 和 dup2 函数

#include <unistd.h>

int dup(int filedes);

int dup2(int filedes, int filedes2);

dup 函数使用一个当前进程中可用的最小文件描述符引用 filedes

所引用的文件，这个新的文件描述

符的状态（打开标志、模式、当前位置等）和 filedes

相同。若成功，返回这个新的文件描述符。失败时

返回-1（例如 filedes 不存在）并设置 errno。

dup2 可以直接指定 dup 中新的文件描述符的值为 filedes2，如果 filedes2

已经打开，则先原子的关闭

之。如果 filedes==filedes2

且存在时则直接返回文件描述符而不执行关闭。失败时也返回-1 并设置

errno。

dup2 常用于输入/输出重定向以实现管道操作。例如

dup2(filedes, STDOUT_FILENO);

则重定向标准输出到 filedes，相当于在 shell 中使用重定向操作符执行了"> file"。

dup2 的功能也可以用 fcntl(2)实现，但后者不能实现为原子操作且某些 errno 不同。

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如果使用 dup2(2)重定向描述符后，要关闭原来的文件描述符。则在 dup2 之前应比较两个参数是否

相等，以避免误关闭。

10、更新到实际文件：sync、fsync 和 fdatasync 函数

通常内核为了考虑吞吐效率等情况，write 调用成功后并不马上将数据写到磁盘，而是放在磁盘的缓

存区中并通过缓存区交换算法（例如最近最少使用）不定期的同步数据到磁盘，或者通过守护进程定时

进行数据同步，也可以通过调用 sync 使其马上进行数据同步。

#include <unistd.h>

int fsync(int filedes);

int fdatasync(int filedes);

void sync(void);

sync 立即将内核缓冲的数据送到磁盘中的写队列，并直接返回。

fsync 也立即将内核缓冲的数据送到磁盘中的写队列，等待到磁盘写结束时才返回。

fdatasync 类似 fync，但除了同步数据外还同步文件的属性（例如 stat 结构的 st_ctime 等）。

也可用系统命令 sync(1)来同步数据。

11、已打开文件状态的更改：fcntl 函数

#include <fcntl.h>

int fcntl(int filedes, int cmd, /* int arg*/);

cmd

包括了以下取值：

F_DUPFD：复制文件描述符并返回新的文件描述符(同 dup)

F_GETFD/F_SETFD 获取/重设文件描述符的标志（FD_CLOEXEC，用于指出执行 exec(3)

调用时是否关闭此文件）

F_GETFL/F_SETFL 获取/重设文件描述符的打开状态标志（O_RDWR, O_NONBLOCK 等）

F_GETOWN/F_SETOWN 获取/重设捕捉信号 SIGIO（异步 I/O 时，若 I/O 已经可用则产生此

信号）和信号 SIGURG（收到带外数据时产生此信号）的 PID；

F_GETLK/F_SETLK 获取/设置记录锁，在并发场合用于同步文件的操作时序。

arg 为根据 cmd 进行不同取值的相关参数，略。

12、ioctl 函数

对设备进行指定的操作，适用于 read、write、lseek、fcntl 等函数不能完成的其它功能。对于

Linux，手册中称其用于操作 STREAMS 设备，但 Linux 下几乎用不上 STREAMS 设备。其它平台对 ioctl

函数的用途不尽相同，略。

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第四章文件和目录

Unix 下“一切皆文件”。即对于外部对象均抽象为文件的形式进行访问，这样就可以通过统一的

open、read、write、close 等 I/O 函数对它们进行操作。但各种文件细究也分了好几种类别：

• 普通文件——各种以 ASCII 和二进制存放的程序和文档都属于普通文件）；

• 目录文件——注意三个特殊的目录文件：/、.和..；

• 字符设备文件——如/dev/tty；

• 块设备文件——如/dev/sda；

• 管道或 FIFO 文件——FIFO 文件可以用 mkfifo(1)创建。而管道文件在文件系统中是没有文

件名的，但可以在/proc 文件系统中看到某些进程打开了此种类型的文件，例如使用以下

命令：

$ tail -f /var/log/syslog | grep “log”

假设 tail 的 PID 是 2342，grep 是 2344，则可以从系统的另一个 tty 上看到文

件/proc/2342/fd/1 和/proc/2344/fd/0 链接到了同一个管道文件上。

• 符号链接——其内容即为链接目标，可以用 readlink(1)或者 ls -l 查看；

• 套接字——一个典型的有名 Unix 套接字为/dev/log，它用于接收系统日志信息。

对文件的访问涉及到访问权限的概念，本章中提及的函数都或多或少要求进程对文件具有操作权限。

1、stat、fstat 和 lstat 函数

#include <sys/stat.h>

int stat(const char *restrict pathname, struct stat *restrict buf);

int fstat(int filedes, struct stat *buf);

int lstat(const char *restrict pathname, struct stat *restrict buf);

这些函数都用来将指定文件（目录）的 stat 结构到 buf

指针所指内容处。对于 fstat，使用打开的文件

描述符表示指定的文件或目录。对于 lstat，它在指定的文件是一个符号链接时，取的是符号链接本身的

stat 信息，其它两个函数都将取符号链接目标的 stat 信息。

这三个函数调用成功时返回 0，出错时将返回-1 并设置相应的 errno。

stat 结构给出了 Unix 下文件（目录）各种属性的相关信息，是个重要的数据结构，应仔细了解其各

个成员字段代表的含义。对于其成员有几点值得注意的地方：

• st_mode 值标明了文件的类型。以其为参数调用以下宏函数进行测试，可以根据返回值是否为真，

来确定指定的文件的类型：

S_ISREG()、S_ISDIR()、S_ISCHR()、S_ISBLK()、S_ISFIFO()、S_ISLNK()、S_ISSOCK()

• st_blksize 一般根据文件系统直接相关，但在创建时也可以自己指定，例如使用 dd(1)命令时可

以用 bs 选项来设置块大小；

• ls(1)命令用各种选项可以访问 stat 结构的所有属性。例如-l、-i。

• 对于书中的表 4-3，可以利用程序清单 4-1 的程序（假设编译后为 a.out）大致通过以下命令统

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计（并不完善，只是给出大致的例子）：

$ find / -H -exec ./a.out {} \; | grep -c “regular”

对应的 shell 命令为 stat(1)；

2、文件访问权限

• Unix 对文件定义了三组用户权限，分别对应为属主用户(user)、组用户(group)、其它用户(other)，

每组用户各有自己对此文件的读、写、执行权限。权限值以八进制的形式表示，也记录在 stat 结构的

st_mode 字段中。

• 创建和删除文件时，必需对目录拥有 w 和 x 的权限。目录的 w 和 x 权限只决定对目录下的创建和删除

权限，只有内核才能写目录文件的数据项；

• 测试当前进程对文件访问权限的函数（但不测试 EUID 和 EGID 的权限）：

#include <unistd.h>

int access(const char *pathname, int mode);

mode

的取值包括 R_OK、W_OK、X_OK、F_OK。最后一个参数测试文件是否存在。返回 0 时，表示

测试结果为成功。返回-1 时表示失败，根据 errno 的结果获知失败原因。

• open(2)函数的最后一个参数 mode 设置文件创建时的权限。此外进程的 umask 设定了创建文件时应

该屏蔽哪些权限位的默认权限，可以用 umask(1)查看和修改。所以 open 函数创建的文件权限实际上

是 mode|(~umask)的结果。

• umask 函数：

#include <sys/stat.h>

mode_t umask(mode_t cmask);

此函数以参数 cmask

改变进程的文件创建模式 umask 值，并返回之前的旧值。如果只是临时更改

umask，则应保存此函数的返回值，留待需要的时候进行恢复。

• 用于改变文件访问权限模式的函数：chmod、fchmod：

#include <sys/stat.h>

int chmod(const char *filename, mode_t mode);

int fchmod(int filedes, mode_t mode);

chmod 使用文件名，fchmod 使用文件描述符，以 mode

改变文件的权限，mode

的值为

S_IXUSR、S_IROTH 等的按位或。使用此函数要求进程的 EUID ==文件的 UID 或者进程有 root 权

限。

系统同时也提供了相应的 chmod(1)工具。

• 改变文件属主用户及组用户：chown 函数

#include <unistd.h>

int chown(const char *pathname, uid_t owner, gid_t group);

int fchown(int filedes, uid_t owner, gid_t group);

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