Linux中POSIX应用场景

Linux 提供了丰富的 POSIX（Portable Operating System Interface）标准接口，这些接口可以帮助开发者编写可移植、高效的应用程序。POSIX 标准定义了一系列系统调用和库函数，涵盖了文件操作、进程管理、线程管理、信号处理、同步机制等方面。

1. 文件操作

POSIX 提供了标准的文件操作接口，用于文件的创建、读取、写入、关闭等操作。

open(): 打开文件。close(): 关闭文件。read(): 从文件中读取数据。write(): 向文件中写入数据。lseek(): 移动文件指针。 #include <fcntl.h> // 包含文件控制相关的函数和宏定义，如 open() #include <unistd.h> // 包含 POSIX 标准的系统调用，如 read(), write(), close(), lseek() #include <iostream> // 包含标准输入输出流，如 std::cout int main() { // 打开文件 "example.txt"，如果文件不存在则创建它 // O_RDWR: 以读写模式打开文件 // O_CREAT: 如果文件不存在则创建 // 0644: 文件权限设置为用户可读写，组和其他用户只读 int fd = open("example.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644); if (fd == -1) { // 检查文件是否成功打开 perror("open"); // 如果失败，打印错误信息 return 1; // 返回错误码 1 } // 要写入文件的字符串 const char *text = "Hello, POSIX!"; // 将字符串写入文件 // fd: 文件描述符 // text: 要写入的数据 // 13: 写入的字节数（字符串长度） write(fd, text, 13); // 将文件指针移动到文件开头 // fd: 文件描述符 // 0: 偏移量 // SEEK_SET: 从文件开头开始计算偏移量 lseek(fd, 0, SEEK_SET); // 定义一个缓冲区，用于存储从文件中读取的数据 char buffer[14]; // 从文件中读取数据到缓冲区 // fd: 文件描述符 // buffer: 存储读取数据的缓冲区 // 13: 读取的字节数 read(fd, buffer, 13); buffer[13] = '\0'; // 在缓冲区末尾添加字符串结束符 // 将读取的数据打印到标准输出 std::cout << buffer << std::endl; // 关闭文件 close(fd); return 0; // 程序正常结束 } 2. 进程管理

POSIX 提供了进程创建、终止、等待等接口。

fork(): 创建子进程。exec() 系列函数: 执行新程序。wait() 和 waitpid(): 等待子进程结束。exit(): 终止进程。 #include <unistd.h> // 包含 POSIX 标准的系统调用，如 fork(), execlp() #include <sys/wait.h> // 包含进程等待相关的函数，如 wait() #include <iostream> // 包含标准输入输出流，如 std::cout int main() { // 创建一个子进程 // fork() 返回两次： // - 在父进程中返回子进程的 PID // - 在子进程中返回 0 // - 如果失败，返回 -1 pid_t pid = fork();//父进程和子进程会从 fork() 之后开始并行执行。 if (pid == 0) { // 子进程 // 使用 execlp() 执行 "ls -l" 命令 // execlp() 会用指定的程序替换当前进程的地址空间 // "ls": 要执行的程序（在 PATH 中查找） // "ls": 传递给程序的第一个参数（通常是程序名） // "-l": 传递给程序的第二个参数（长格式显示） // nullptr: 参数列表的结束标志 execlp("ls", "ls", "-l", nullptr); // 如果 execlp() 执行成功，以下代码不会被执行 // 如果执行失败，会继续执行并打印错误信息 perror("execlp"); return 1; // 子进程异常退出 } else if (pid > 0) { // 父进程 // 等待子进程结束 // wait() 会阻塞父进程，直到子进程退出 // nullptr 表示不关心子进程的退出状态 wait(nullptr); // 子进程结束后，打印提示信息 std::cout << "Child process finished." << std::endl; } else { // fork() 失败 perror("fork"); // 打印错误信息 return 1; // 返回错误码 1 } return 0; // 程序正常结束 } 3. 线程管理

POSIX 线程（Pthreads）提供了多线程编程的接口。

pthread_create(): 创建线程。pthread_join(): 等待线程结束。pthread_exit(): 终止线程。 #include <pthread.h> // 包含 POSIX 线程相关的函数和数据类型，如 pthread_create(), pthread_join() #include <iostream> // 包含标准输入输出流，如 std::cout // 线程函数，新线程启动后执行的函数 void* thread_func(void* arg) { // 打印线程中的消息 std::cout << "Hello from thread!" << std::endl; return nullptr; // 线程函数返回 nullptr，表示没有返回值 } int main() { pthread_t thread; // 定义一个线程标识符 // 创建一个新线程 // &thread: 用于存储新线程的标识符 // nullptr: 使用默认的线程属性 // thread_func: 线程启动后执行的函数 // nullptr: 传递给线程函数的参数（这里没有传递参数） if (pthread_create(&thread, nullptr, thread_func, nullptr) != 0) { // 如果线程创建失败，打印错误信息并退出 perror("pthread_create"); return 1; // 返回错误码 1 } // 等待线程结束 // thread: 要等待的线程标识符 // nullptr: 不关心线程的返回值 pthread_join(thread, nullptr); // 线程结束后，打印提示信息 std::cout << "Thread finished." << std::endl; return 0; // 程序正常结束 } 4. 信号处理

POSIX 提供了信号处理机制，用于处理异步事件。

signal(): 设置信号处理函数。sigaction(): 更复杂的信号处理设置。kill(): 发送信号给进程。 #include <csignal> // 包含信号处理相关的函数和常量，如 signal(), SIGINT #include <unistd.h> // 包含 POSIX 标准的系统调用，如 sleep() #include <iostream> // 包含标准输入输出流，如 std::cout // 信号处理函数 void signal_handler(int signum) { // 输出接收到的信号编号 std::cout << "Received signal " << signum << std::endl; } int main() { // 注册信号处理函数 // 将 SIGINT 信号（通常是 Ctrl+C 触发的信号）与 signal_handler 函数绑定 signal(SIGINT, signal_handler); // 无限循环，等待信号 while (true) { std::cout << "Waiting for signal..." << std::endl; sleep(1); // 休眠 1 秒 } return 0; // 程序正常结束（实际上不会执行到这里） } 5. 同步机制

POSIX 提供了多种同步机制，如互斥锁、条件变量、信号量等。

pthread_mutex_t: 互斥锁。pthread_cond_t: 条件变量。sem_t: 信号量。 #include <pthread.h> // 包含 POSIX 线程相关的函数和数据类型，如 pthread_create(), pthread_mutex_t #include <iostream> // 包含标准输入输出流，如 std::cout // 定义互斥锁 pthread_mutex_t mutex; // 定义共享数据 int shared_data = 0; // 线程函数 void* thread_func(void* arg) { // 加锁，确保对共享数据的访问是互斥的 pthread_mutex_lock(&mutex); // 修改共享数据 shared_data++; // 输出共享数据的值 std::cout << "Shared data: " << shared_data << std::endl; // 解锁，允许其他线程访问共享数据 pthread_mutex_unlock(&mutex); // 返回空指针 return nullptr; } int main() { // 定义两个线程标识符 pthread_t thread1, thread2; // 初始化互斥锁 // 第二个参数是互斥锁属性，这里使用默认属性，传入 nullptr pthread_mutex_init(&mutex, nullptr); // 创建第一个线程 // pthread_create() 参数： // 1. 线程标识符 // 2. 线程属性（默认属性，传入 nullptr） // 3. 线程函数 // 4. 传递给线程函数的参数（这里不需要，传入 nullptr） pthread_create(&thread1, nullptr, thread_func, nullptr); // 创建第二个线程 pthread_create(&thread2, nullptr, thread_func, nullptr); // 等待第一个线程结束 // pthread_join() 会阻塞，直到指定线程结束 // 第二个参数用于获取线程的返回值，这里不需要，传入 nullptr pthread_join(thread1, nullptr); // 等待第二个线程结束 pthread_join(thread2, nullptr); // 销毁互斥锁 pthread_mutex_destroy(&mutex); return 0; // 程序正常结束 } 6. 时间管理

POSIX 提供了时间相关的函数，用于获取和操作时间。

gettimeofday(): 获取当前时间。clock_gettime(): 获取更高精度的时间。sleep(): 让进程休眠指定时间。 #include <sys/time.h> // 包含时间相关的函数和数据结构，如 gettimeofday() #include <unistd.h> // 包含 POSIX 标准的系统调用，如 sleep() #include <iostream> // 包含标准输入输出流，如 std::cout int main() { // 定义两个 timeval 结构体，用于存储时间点 struct timeval start, end; // 获取当前时间，并存储到 start 中 // gettimeofday() 获取从 1970-01-01 00:00:00 UTC 到当前时间的秒数和微秒数 // 第二个参数是时区信息，这里不需要，传入 nullptr gettimeofday(&start, nullptr); // 让程序休眠 2 秒 sleep(2); // 获取当前时间，并存储到 end 中 gettimeofday(&end, nullptr); // 计算时间差 long seconds = end.tv_sec - start.tv_sec; // 计算秒数差 long microseconds = end.tv_usec - start.tv_usec; // 计算微秒数差 // 将时间差转换为秒（包括微秒部分） double elapsed = seconds + microseconds / 1e6; // 1e6 表示 1,000,000，将微秒转换为秒 // 输出耗时 std::cout << "Elapsed time: " << elapsed << " seconds" << std::endl; return 0; // 程序正常结束 } 7. 网络编程

POSIX 提供了套接字（socket）接口，用于网络编程。

socket(): 创建套接字。bind(): 绑定套接字到地址。listen(): 监听连接。accept(): 接受连接。connect(): 连接到服务器。send() 和 recv(): 发送和接收数据。 #include <sys/socket.h> // 包含套接字相关的函数和数据结构，如 socket(), bind(), listen(), accept() #include <netinet/in.h> // 包含 IPv4 地址结构体 sockaddr_in 和相关的常量，如 INADDR_ANY #include <unistd.h> // 包含 POSIX 标准的系统调用，如 close() #include <iostream> // 包含标准输入输出流，如 std::cout #include <cstring> // 包含字符串操作函数，如 strlen() int main() { // 创建一个套接字 // AF_INET: 使用 IPv4 地址族 // SOCK_STREAM: 使用面向连接的 TCP 协议 // 0: 默认协议（TCP） int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (server_fd == -1) { // 如果套接字创建失败，打印错误信息并退出 perror("socket"); return 1; // 返回错误码 1 } // 定义服务器地址结构 struct sockaddr_in address; address.sin_family = AF_INET; // 使用 IPv4 地址族 address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定到所有可用的网络接口 address.sin_port = htons(8080); // 绑定到端口 8080，htons() 将端口号转换为网络字节序 // 将套接字绑定到指定的地址和端口 if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address)) < 0) { // 如果绑定失败，打印错误信息并退出 perror("bind"); return 1; // 返回错误码 1 } // 开始监听连接请求 // 3: 最大等待连接队列的长度 if (listen(server_fd, 3) < 0) { // 如果监听失败，打印错误信息并退出 perror("listen"); return 1; // 返回错误码 1 } // 接受客户端的连接请求 // 返回一个新的套接字，用于与客户端通信 // 后两个参数用于获取客户端的地址信息，这里不需要，因此传入 nullptr int new_socket = accept(server_fd, nullptr, nullptr); if (new_socket < 0) { // 如果接受连接失败，打印错误信息并退出 perror("accept"); return 1; // 返回错误码 1 } // 向客户端发送消息 const char *message = "Hello from server!"; send(new_socket, message, strlen(message), 0); // 关闭与客户端的连接 close(new_socket); // 关闭服务器套接字 close(server_fd); return 0; // 程序正常结束 }