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::coutint 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::coutint 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 -1pid_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 nullptrpthread_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 nullptrpthread_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::coutint 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 nullptrgettimeofday(&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 nullptrint 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
}