第九周预习报告

第九周预习报告

学习内容

• Head First C 第9章

AI 对学习内容的总结

章节概述

• 本章主要介绍进程和系统调用的概念，学习如何在自己的代码内部使用其他程序，学会如何使用系统服务来创建和控制进程。使程序能够访问电子邮件、Web以及其他任何安装的工具。

内容总结

• 系统调用：

  • 定义：系统调用是用户程序与操作系统内核之间的接口，允许用户程序请求操作系统执行特定的任务。
  • 常见系统调用：
    • open()：打开文件。
    • read()：从文件中读取数据。
    • write()：将数据写入文件。
    • close()：关闭文件。
    • fork()：创建一个新进程。
    • exec()：执行一个新程序。
    • wait()：等待子进程结束。
    • exit()：终止当前进程。
  • 工作原理：当用户程序调用一个系统调用时，CPU会从用户模式切换到内核模式，内核执行相应的操作，完成后返回结果，CPU再切换回用户模式。

• 进程控制：

  • 进程：进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，每个进程都有自己的地址空间、文件描述符、环境变量等。
  • 创建进程：
    • fork()：创建一个新进程，新进程是调用进程的副本，两者几乎完全相同，但有一个唯一的区别：fork()返回值不同。在父进程中返回子进程的PID，在子进程中返回0。
  • 执行新程序：
    • exec()：有一系列函数（如execl()、execlp()、execle()、execv()、execvp()、execvpe()），用于替换当前进程的地址空间，使其开始执行一个新程序。
  • 等待子进程：
    • wait()：父进程调用wait()等待子进程结束，wait()会阻塞父进程直到子进程结束。
  • 终止进程：
    • exit()：终止当前进程，可以传递一个退出状态码给父进程。

• 环境变量传递：

  • 定义：环境变量是操作系统提供的一种机制，用于在进程之间传递配置信息。
  • 传递方式：子进程会继承父进程的环境变量，可以通过exec()系列函数传递新的环境变量。

• 错误处理：

  • 返回值：大多数系统调用都有一个返回值，成功时返回一个有意义的值，失败时返回一个错误码（通常是负数）。
  • errno：全局变量errno用于存储系统调用的错误代码，可以通过strerror()函数将错误代码转换为人类可读的字符串。

    #include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <errno.h>
    #include <string.h>int main() {int fd = open("nonexistent_file.txt", O_RDONLY);if (fd == -1) {fprintf(stderr, "Error opening file: %s\n", strerror(errno));return 1;}close(fd);return 0;
    }
    

• RSS订阅：

  • 定义：RSS（Really Simple Syndication）是一种用于发布经常更新的内容的标准格式，如博客文章、新闻等。
  • 实现：通过系统调用读取RSS源，解析XML数据，提取所需信息。

    #include <stdio.h>
    #include <curl/curl.h>size_t write_data(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream) {size_t written = fwrite(ptr, size, nmemb, stream);return written;
    }int main() {CURL *curl;FILE *file;CURLcode res;curl_global_init(CURL_GLOBAL_DEFAULT);curl = curl_easy_init();if(curl) {file = fopen("rss_feed.xml", "wb");curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_URL, "http://example.com/rss.xml");curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_WRITEFUNCTION, write_data);curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_WRITEDATA, file);res = curl_easy_perform(curl);if(res != CURLE_OK) {fprintf(stderr, "curl_easy_perform() failed: %s\n", curl_easy_strerror(res));}fclose(file);curl_easy_cleanup(curl);}curl_global_cleanup();return 0;
    }
    

• 父子进程关系：

  • 父子关系：通过fork()创建的子进程是父进程的子进程，子进程可以调用getppid()获取父进程的PID。

    #include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {fprintf(stderr, "Fork failed\n");return 1;} else if (pid == 0) {// 子进程printf("Child process: PID = %d, PPID = %d\n", getpid(), getppid());execlp("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);} else {// 父进程printf("Parent process: PID = %d, Child PID = %d\n", getpid(), pid);wait(NULL);  // 等待子进程结束printf("Child process finished\n");}return 0;
    }
    

对知识总结的反思

• 系统调用：

  • 系统调用是用户程序与操作系统内核之间的桥梁，通过系统调用可以执行各种底层操作，如文件操作、进程控制等。
  • 在实际编程中，需要仔细检查每个系统调用的返回值，以确保调用成功，并处理可能出现的错误。

• 进程控制：

  • 进程控制是操作系统管理进程生命周期的关键部分，通过fork()和exec()可以创建和执行新的进程。
  • 在使用fork()和exec()时，需要注意父子进程的关系，确保程序逻辑的正确性。

• 环境变量传递：

  • 环境变量是进程之间传递配置信息的重要机制，子进程会继承父进程的环境变量。
  • 在调用exec()系列函数时，可以通过参数传递新的环境变量。

• 错误处理：

  • 错误处理是确保程序健壮性的关键，通过检查系统调用的返回值和使用errno，可以有效地处理错误。

• RSS订阅：

  • RSS订阅是一个实际应用的例子，展示了如何使用系统调用和网络编程来获取和处理外部数据。
  • 通过CURL库，可以方便地实现HTTP请求和数据下载。

思维导图

mindmap本周学习内容进程和系统调用章节概述系统调用定义常见系统调用openreadwritecloseforkexecwaitexit进程控制进程创建进程fork执行新程序exec等待子进程wait终止进程exit环境变量传递定义传递方式错误处理返回值errnoRSS订阅定义实现使用CURL库解析XML数据父子进程关系父子关系getppid重点内容系统调用定义常见系统调用openreadwritecloseforkexecwaitexit进程控制进程创建进程fork执行新程序exec等待子进程wait终止进程exit环境变量传递定义传递方式错误处理返回值errnoRSS订阅定义实现使用CURL库解析XML数据父子进程关系父子关系getppid

基于AI的学习

知识点1：系统调用

AI: 举一个常见的系统调用例子。

我: 打开文件是一个常见的系统调用。当程序想要读取或写入文件时，它会调用 open() 系统调用。这个调用会请求操作系统打开指定的文件，并返回一个文件描述符，程序可以使用这个文件描述符进行后续的读写操作。

AI: 系统调用 fork() 和 exec() 有什么区别？

我: fork() 和 exec() 是两个不同的系统调用，它们分别用于不同的目的。

• fork() 用于创建一个新的进程。新进程是调用进程的副本，具有相同的代码段、数据段和堆栈段，但有自己的独立内存空间。fork() 返回一个值，如果返回值为0，则表示当前进程是子进程；如果返回值大于0，则表示当前进程是父进程，返回值是子进程的PID。
• exec() 用于在当前进程中加载并运行一个新的程序。exec() 有多个变种，如 execl()、execlp()、execle()、execv()、execvp() 和 execvpe()，它们的主要区别在于参数的传递方式。调用 exec() 之后，当前进程的代码段、数据段和堆栈段会被新程序的代码段、数据段和堆栈段替换。

AI: wait() 系统调用的作用是什么？

我: wait() 系统调用用于父进程等待子进程结束。父进程调用 wait() 会阻塞，直到一个子进程结束。wait() 返回子进程的PID，并且可以通过返回值和 wait() 的参数来获取子进程的退出状态。

AI: 如何处理系统调用的错误？

我: 处理系统调用的错误通常涉及以下几个步骤：

1. 检查系统调用的返回值。大多数系统调用在成功时返回一个有意义的值，而在失败时返回一个错误码（通常是负数）。
2. 如果系统调用失败，检查全局变量 errno 以获取具体的错误代码。
3. 使用 strerror() 函数将错误代码转换为人类可读的错误信息，并进行适当的错误处理，如打印错误信息、记录日志或采取其他补救措施。

AI: 举一个处理 open() 系统调用错误的例子。

我: 当然，以下是一个处理 open() 系统调用错误的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>int main() {int fd = open("nonexistent_file.txt", O_RDONLY);if (fd == -1) {fprintf(stderr, "Error opening file: %s\n", strerror(errno));return 1;}close(fd);return 0;
}

在这个例子中，如果 open() 调用失败，fd 将被设置为 -1，程序会检查 errno 并使用 strerror() 函数将错误代码转换为错误信息，然后打印错误信息并返回1表示程序异常退出。

知识点2：进程控制

AI: 什么是进程？

我: 进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。每个进程都有自己的地址空间、文件描述符、环境变量等。进程可以包含一个或多个线程，每个线程共享进程的资源。

AI: fork() 系统调用的返回值有什么含义？

我: fork() 系统调用的返回值有三种可能：

• 如果 fork() 成功，它会在父进程中返回子进程的PID（进程标识符），在子进程中返回0。
• 如果 fork() 失败，它会返回-1，并设置全局变量 errno 以指示具体的错误原因。

AI: exec() 系统调用的变种有哪些？

我: exec() 系统调用有多个变种，它们的主要区别在于参数的传递方式：

• execl(): 以固定数量的参数调用新程序。
• execlp(): 类似于 execl()，但会在环境变量 PATH 中查找可执行文件。
• execle(): 类似于 execl()，但允许传递环境变量。
• execv(): 以数组形式传递参数。
• execvp(): 类似于 execv()，但会在环境变量 PATH 中查找可执行文件。
• execvpe(): 类似于 execvp()，但允许传递环境变量。

AI: wait() 系统调用的参数和返回值是什么？

我: wait() 系统调用的原型如下：

pid_t wait(int *status);

• 参数 status 是一个指向整数的指针，用于接收子进程的退出状态。如果不需要获取退出状态，可以将 status 设为 NULL。
• 返回值是子进程的PID。如果没有子进程结束，wait() 会阻塞父进程。如果 wait() 失败，它会返回-1，并设置全局变量 errno 以指示具体的错误原因。

AI: 举一个使用 fork() 和 exec() 的示例。

我: 当然，以下是一个使用 fork() 和 exec() 的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {fprintf(stderr, "Fork failed\n");return 1;} else if (pid == 0) {// 子进程printf("Child process: PID = %d, PPID = %d\n", getpid(), getppid());execlp("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);fprintf(stderr, "Failed to execute ls\n");return 1;} else {// 父进程printf("Parent process: PID = %d, Child PID = %d\n", getpid(), pid);wait(NULL);  // 等待子进程结束printf("Child process finished\n");}return 0;
}

在这个例子中，父进程调用 fork() 创建一个子进程。子进程调用 execlp() 执行 /bin/ls 命令，列出当前目录的详细信息。父进程调用 wait() 等待子进程结束，然后打印一条消息表示子进程已经结束。

学习实践过程遇到的问题与解决方式

问题1：fork() 调用后，子进程和父进程同时运行导致输出混乱

描述：在使用 fork() 创建子进程后，子进程和父进程同时运行，导致输出混乱，难以区分哪个输出来自哪个进程。
解决方式：

1. 使用 sleep() 临时解决：

   #include <stdio.h>
   #include <unistd.h>
   #include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {fprintf(stderr, "Fork failed\n");return 1;} else if (pid == 0) {// 子进程sleep(1);  // 让子进程稍微延迟一下printf("Child process: PID = %d, PPID = %d\n", getpid(), getppid());execlp("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);} else {// 父进程printf("Parent process: PID = %d, Child PID = %d\n", getpid(), pid);wait(NULL);  // 等待子进程结束printf("Child process finished\n");}return 0;
   }
   

2. 使用 wait() 确保子进程先结束：

   #include <stdio.h>
   #include <unistd.h>
   #include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {fprintf(stderr, "Fork failed\n");return 1;} else if (pid == 0) {// 子进程printf("Child process: PID = %d, PPID = %d\n", getpid(), getppid());execlp("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);} else {// 父进程wait(NULL);  // 等待子进程结束printf("Parent process: PID = %d, Child PID = %d\n", getpid(), pid);printf("Child process finished\n");}return 0;
   }
   

问题2：exec() 调用失败，程序无法执行新程序

描述：在调用 exec() 系列函数时，程序无法成功执行新程序，导致程序挂起或报错。
解决方式：

1. 检查路径和文件名：
   确保提供的路径和文件名是正确的。如果使用 execlp() 或 execvp()，确保环境变量 PATH 中包含了可执行文件的路径。
2. 检查错误信息：
   使用 perror() 或 strerror(errno) 打印详细的错误信息。

   #include <stdio.h>
   #include <unistd.h>
   #include <errno.h>
   #include <string.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {fprintf(stderr, "Fork failed\n");return 1;} else if (pid == 0) {// 子进程execlp("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);perror("Failed to execute ls");  // 打印错误信息return 1;} else {// 父进程wait(NULL);  // 等待子进程结束printf("Child process finished\n");}return 0;
   }
   

问题3：open() 系统调用失败，无法打开文件

描述：在调用 open() 系统调用时，无法打开指定的文件，导致程序出错。
解决方式：

1. 检查文件路径和权限：
   确保文件路径是正确的，并且当前用户有权限访问该文件。
2. 检查错误信息：
   使用 perror() 或 strerror(errno) 打印详细的错误信息。

   #include <stdio.h>
   #include <unistd.h>
   #include <errno.h>
   #include <string.h>int main() {int fd = open("nonexistent_file.txt", O_RDONLY);if (fd == -1) {fprintf(stderr, "Error opening file: %s\n", strerror(errno));return 1;}close(fd);return 0;
   }
   

问题4：wait() 调用后，父进程无法正确捕获子进程的退出状态

描述：在调用 wait() 系统调用后，父进程无法正确捕获子进程的退出状态，导致程序逻辑出错。
解决方式：
使用 WIFEXITED 和 WEXITSTATUS 宏：
使用 WIFEXITED 检查子进程是否正常退出，使用 WEXITSTATUS 获取子进程的退出状态。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {fprintf(stderr, "Fork failed\n");return 1;} else if (pid == 0) {// 子进程execlp("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);perror("Failed to execute ls");return 1;} else {// 父进程int status;pid_t child_pid = wait(&status);if (WIFEXITED(status)) {printf("Child process %d exited with status %d\n", child_pid, WEXITSTATUS(status));} else {printf("Child process %d terminated abnormally\n", child_pid);}}return 0;
}

问题5：环境变量传递失败，子进程无法获取正确的环境变量

描述：在使用 exec() 系列函数时，子进程无法获取正确的环境变量，导致程序出错。
解决方式：
检查环境变量的传递方式：
确保在调用 exec() 系列函数时正确传递了环境变量。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {fprintf(stderr, "Fork failed\n");return 1;} else if (pid == 0) {// 子进程char *new_env[] = {"PATH=/usr/bin:/bin", "MY_VAR=value", NULL};execle("/bin/ls", "ls", "-l", NULL, new_env);perror("Failed to execute ls");return 1;} else {// 父进程wait(NULL);  // 等待子进程结束printf("Child process finished\n");}return 0;
}

参考资料

• HeadFirstC嗨翻C语言
• 通义千问
• Linux System Calls
• Process Control in Linux
• Error Handling in C
• 课程 mindmap
• Mermaid Live Editor