Linux-C/C++--初探linux应用编程概念

               

        对于大多数首次接触 Linux 应用编程的读者来说，可能对应用编程（也可称为系统编程）这个概念并不 太了解，所以在正式学习 Linux 应用编程之前，笔者有必要向大家介绍这些简单基本的概念，从整体上认识 到应用编程为何物？与驱动编程、裸机编程有何不同？ 了解本章所介绍的内容是掌握应用编程的先决条件，所以本章主要内容便是对 Linux 应用编程进行一 个简单地介绍，让读者对此有一个基本的认识。 本章将会讨论如下主题内容。

 何为系统调用；

 何为库函数；

 应用程序的 main()函数；

 应用程序开发环境的介绍。

一、系统调用

        系统调用（system call）其实是 Linux 内核提供给应用层的应用编程接口（API），是 Linux 应用层进入 内核的入口。不止 Linux 系统，所有的操作系统都会向应用层提供系统调用，应用程序通过系统调用来使用 操作系统提供的各种服务。

        通过系统调用，Linux 应用程序可以请求内核以自己的名义执行某些事情，譬如打开磁盘中的文件、读 写文件、关闭文件以及控制其它硬件外设。

        通过系统调用 API，应用层可以实现与内核的交互，其关系可通过下图简单描述：

        内核提供了一系列的服务、资源、支持一系列功能，应用程序通过调用系统调用 API 函数来使用内核 提供的服务、资源以及各种各样的功能，如果大家接触过其它操作系统编程，想必对此并不陌生，譬如 Windows 应用编程，操作系统内核一般都会向应用程序提供应用编程接口 API，否则我们将我无法使用操 作系统。

应用编程与裸机编程、驱动编程有什么区别？

在学习应用编程之前，相信大家都有过软件开发经验，譬如 51、STM32 等单片机软件开发、以及嵌入 式 Linux 硬件平台下的驱动开发等，51、STM32 这类单片机的软件开发通常是裸机程序开发，并不会涉及 到操作系统的概念，那应用编程与裸机编程以及驱动开发有什么区别呢？

        就拿嵌入式 Linux 硬件平台下的软件开发来说，我们大可将编程分为三种，分别为裸机编程、Linux 驱 动编程以及 Linux 应用编程。首先对于裸机编程这个概念来说很好理解，一般把没有操作系统支持的编程环 境称为裸机编程环境，譬如单片机上的编程开发，编写直接在硬件上运行的程序，没有操作系统支持；狭义 上 Linux 驱动编程指的是基于内核驱动框架开发驱动程序，驱动开发工程师通过调用 Linux 内核提供的接口 完成设备驱动的注册，驱动程序负责底层硬件操作相关逻辑，如果学习过 Linux 驱动开发的读者，想必对此 并不陌生；而 Linux 应用编程（系统编程）则指的是基于 Linux 操作系统的应用编程，在应用程序中通过调 用系统调用 API 完成应用程序的功能和逻辑，应用程序运行于操作系统之上。通常在操作系统下有两种不 同的状态：内核态和用户态，应用程序运行在用户态、而内核则运行在内核态。

        关于应用编程这个概念，以上给大家解释得很清楚了，笔者以实现点亮一个 LED 功能为例，给大家简 单地说明三者之间的区别，LED 裸机程序如下所示：

static void led_on(void)
{/* 点亮 LED 硬件操作代码 */
}static void led_off(void)
{/* 熄灭 LED 硬件操作代码 */
}int main(void)
{/* 用户逻辑 */for ( ; ; ) {led_on(); //点亮 LEDdelay(); //延时led_off(); //熄灭 LEDdelay(); //延时}
}

        可以看到在裸机程序当中，LED 硬件操作代码与用户逻辑代码全部都是在同一个源文件（同一个工程） 中实现的，硬件操作代码与用户逻辑代码没有隔离，没有操作系统支持，代码编译之后直接在硬件平台运 行，俗称“裸跑”。我们再来看一个 Linux 系统下的 LED 驱动程序示例代码，如下所示：

#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
static void led_on(void)
{/* 点亮 LED 硬件操作代码 */
}static void led_off(void)
{/* 熄灭 LED 硬件操作代码 */
}static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{/* 打开设备时需要做的事情 */
}static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf,size_t size, loff_t *offt)
{int flag;/* 获取应用层 write 的数据,存放在 flag 变量 */if (copy_from_user(&flag, buf, size))return -EFAULT;/* 判断用户写入的数据,如果是 0 则熄灭 LED,如果是非 0 则点亮 LED */if (flag)led_on();elseled_off();return 0;
}
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{/* 关闭设备时需要做的事情 */
}static struct file_operations led_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = led_open,.write = led_write,.release = led_release,
};static int led_probe(struct platform_device *pdev)
{/* 驱动加载时需要做的事情 */
}static int led_remove(struct platform_device *pdev)
{/* 驱动卸载时需要做的事情 */
}static const struct of_device_id led_of_match[] = {{.compatible = "alientek,led", },{ /* sentinel */ },
};MODULE_DEVICE_TABLE(of, led_of_match);
static struct platform_driver led_driver = {.driver = {.owner = THIS_MODULE,.name = "led",.of_match_table = led_of_match,},.probe = led_probe,.remove = led_remove,
};
module_platform_driver(led_driver);
MODULE_DESCRIPTION("LED Driver");
MODULE_LICENSE("GPL");

        以上并不是一个完整的 LED 驱动代码，如果没有接触过 Linux 驱动开发的读者，看不懂也没有关系， 并无大碍，此驱动程序使用了最基本的字符设备驱动框架编写而成，非常简单；led_fops 对象中提供了 open、 write、release 方法，当应用程序调用 open 系统调用打开此 LED 设备时会执行到 led_open 函数，当调用 close 系统调用关闭 LED 设备时会执行到 led_release 函数，而调用 write 系统调用时会执行到 led_write 函数，此 驱动程序的设定是当应用层调用 write 写入 0 时熄灭 LED，write 写入非 0 时点亮 LED。

         驱动程序属于内核的一部分，当操作系统启动的时候会加载驱动程序，可以看到 LED 驱动程序中仅仅 实现了点亮/熄灭 LED 硬件操作相关逻辑代码，应用程序可通过 write 这个系统调用 API 函数控制 LED 亮 灭；接下来我们看看 Linux 系统下的 LED 应用程序示例代码，如下所示：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char **argv)
{int fd;int data;fd = open("/dev/led", O_WRONLY);//打开 LED 设备(假定 LED 的设备文件为/dev/led)if (0 > fd)return -1;for ( ; ; ) {data = 1;write(fd, &data, sizeof(data)); //写 1 点亮 LEDsleep(1); //延时 1 秒data = 0;write(fd, &data, sizeof(data)); //写 0 熄灭 LEDsleep(1); //延时 1 秒}close(fd);return 0;
}

此应用程序也非常简单，仅只需实现用户逻辑代码即可，循环点亮、熄灭 LED，并不需要实现硬件操 作相关，示例代码中调用了 open、write、close 这三个系统调用 API 接口，open 和 close 分别用于打开/关闭 LED 设备，write 写入数据传给 LED 驱动，传入 0 熄灭 LED，传入非 0 点亮 LED。

二、库函数

        前面给大家介绍了系统调用，系统调用是内核直接向应用层提供的应用编程接口，譬如 open、write、 read、close 等，关于这些系统调用后面会给大家进行详细介绍。编写应用程序除了使用系统调用之外，我们 还可以使用库函数，本小节来聊一聊库函数。

        在Linux环境下，C语言程序的开发通常需要使用各种库函数来简化编程任务。Linux系统为C语言程序提供了丰富的标准库函数，涵盖了输入输出、字符串处理、内存管理、文件操作、时间和日期、数学运算等多个方面。

        以下是一些常用的C语言库函数的介绍：

2.1、标准输入输出库（stdio.h）

该库包含了进行输入输出操作的函数。

printf：用于格式化输出。

int printf(const char *format, ...);

scanf：从标准输入读取数据，按照指定的格式。

int scanf(const char *format, ...);

fopen：打开一个文件。

FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);

fclose：关闭打开的文件。

int fclose(FILE *stream);

fread：从文件中读取数据。

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t count, FILE *stream);

fprintf：向文件输出格式化数据。

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);

2.2、字符串处理库（string.h）

该库包含处理字符串和内存的常用函数。

strlen：返回字符串的长度。

size_t strlen(const char *str);

strcpy：将一个字符串复制到另一个字符串。

char *strcpy(char *dest, const char *src);

strcat：将两个字符串连接起来。

char *strcat(char *dest, const char *src);

strcmp：比较两个字符串。

int strcmp(const char *str1, const char *str2);

strtok：分割字符串为多个子字符串。

char *strtok(char *str, const char *delim);

memcpy：从源地址拷贝指定字节到目标地址。

void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);

memset：将指定值的字节填充到内存块。

void *memset(void *str, int c, size_t n);

2.3、内存管理库（stdlib.h）

该库包含了动态内存分配、进程控制等功能的函数。

malloc：分配指定大小的内存块。

void *malloc(size_t size);

calloc：分配内存块并初始化为零

void *calloc(size_t num, size_t size);

free：释放之前分配的内存块。

void free(void *ptr);

realloc：重新调整已分配内存的大小。

void *realloc(void *ptr, size_t new_size);

exit：终止程序并返回指定状态。

void exit(int status);

atoi：将字符串转换为整数。

int atoi(const char *str);

rand：生成随机数。

int rand(void);

srand：设置随机数种子。

void srand(unsigned int seed);

2.4、 数学库（math.h）

该库提供了常用的数学函数。

sqrt：计算平方根。

double sqrt(double x);

pow：计算幂。

double pow(double base, double exponent);

sin、cos、tan：三角函数。

double sin(double x);
double cos(double x);
double tan(double x);

log：计算自然对数。

double log(double x);

exp：计算e的x次方。

double exp(double x);

ceil：返回大于或等于参数的最小整数。

double ceil(double x);

floor：返回小于或等于参数的最大整数。

double floor(double x);

2.5、 时间和日期库（time.h）

该库包含了处理日期和时间的函数。

time：返回当前时间的秒数。

time_t time(time_t *t);

localtime：将时间转换为本地时间。

struct tm *localtime(const time_t *timep);

strftime：格式化日期和时间。

size_t strftime(char *str, size_t max, const char *format, const struct tm *tm);

difftime：计算两个时间点的差异（单位为秒）。

double difftime(time_t end, time_t beginning);

三、标准 C 语言函数库

        在 Linux 系 统 下 ， 使 用 的 C 语 言 库 为 GNU C 语 言 函 数 库 （ 也 叫 作 glibc ， 其 网 址 为 http://www.gnu.org/software/libc/），作为 Linux 下的标准 C 语言函数库。

进入到 http://www.gnu.org/software/libc/网址，如下所示：

点击上面的 Sources 选项可以查看它的源码实现：

glibc 源码的获取方式很简单，直接直接从 git 仓库下载，也可以通过 ftp 下载，如果大家有兴趣、或者 想要了解某一个库函数它的具体实现，那么就可以获取到它源码来进行分析，好了，这里就不再多说了！

确定 Linux 系统的 glibc 版本

前面提到过了，C 语言库是以动态库文件的形式提供的，通常存放在/lib 目录，它的命名方式通常是 libc.so.6，不过这个是一个软链接文件，它会链接到真正的库文件。 进入到 Ubuntu 系统的/lib 目录下，笔者使用的 Ubuntu 版本为 16.04，在我的/lib 目录下并没有发现 libc.so.6 这个文件，其实是在/lib/x86_64-linux-gnu 目录下，进入到该目录：

可以看到 libc.so.6 链接到了 libc-2.23.so 库文件，2.23 表示的就是这个 glibc 库的版本号为 2.23。除此之 外，我们还可以直接运行该共享库来获取到它的信息，如下所示：

从打印信息可以看到，笔者所使用的 Ubuntu 系统对应的 glibc 版本号为 2.23。

四、main函数

        对学习过 C 语言编程的读者来说，譬如单片机编程、Windows 应用编程等，main 函数想必大家再熟悉 不过了，很多编程开发都是以 main 函数作为程序的入口函数，同样在 Linux 应用程序中，main 函数也是作 为应用程序的入口函数存在，main 函数的形参一般会有两种写法，如果执行应用程序无需传参，则可以写 成如下形式：

int main(void)
{/* 代码 */
}

如果在执行应用程序的时候需要向应用程序传递参数，则写法如下：

int main(int argc, char **argv)
{/* 代码 */
}

argc 形参表示传入参数的个数，包括应用程序自身路径和程序名，譬如运行当前目录下的 hello 可执行 文件，并且传入参数，如下所示：

./hello 112233

那么此时参数个数为 2，并且这些参数都是作为字符串的形式传递给 main 函数:

argv[0]等于"./hello"

argv[1]等于"112233"

有传参时 main 函数的写法并不只有这一种，只是这种写法最常用，对于其它的写法，后面学习过程中 如果遇到了再给大家进行讲解，这里暂时先不去管。

五、开发环境

        对于编程开发，大家可能都比较关心开发环境的问题，譬如本书将使用什么 IDE 编写应用程序之类的 问题，本小节将对开发环境的问题进行一个简单介绍。

        在 Linux 操作系统下，也有很多比较好用的 IDE 软件，可以帮助我们更为轻松的进行软件开发，譬如 Eclipse、vscode 等，如果你会使用 Eclipse，可以在 Ubuntu 系统下安装 Eclipse 进行 Linux 应用开发

        小编使用的是VSCode，vscode 是一个代码编辑器，提供了很多好用的插件，譬如语法检测、高亮显示、智能补全等，大家可以根据自己的选择安装插件。

本小节内容到此结束。2025年决定把linux-C/C++相关内容重温分享给大家。欢迎留言评论，感谢！！！