Linux 系统编程入门：文件 IO、进程、线程与信号

一、系统编程学什么

Linux 系统编程关注应用程序和操作系统之间的接口。普通业务代码更多关心业务逻辑，系统编程则关心程序如何使用文件、进程、线程、信号、内存和网络。

入门阶段重点掌握：

文件描述符。
open、read、write、close。
进程创建和等待。
线程创建和同步。
信号处理。
错误码和 errno。

二、文件描述符

Linux 中很多资源都可以看成文件：

普通文件。
终端。
socket。
pipe。
设备节点。

程序通过文件描述符访问这些资源。文件描述符是一个整数。

默认有三个：

1
2
3

0 stdin
1 stdout
2 stderr

三、基础文件 IO

示例：

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    int fd = open("hello.txt", O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0644);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    const char *msg = "hello linux io\n";
    ssize_t n = write(fd, msg, 15);
    if (n < 0) {
        perror("write");
        close(fd);
        return 1;
    }

    close(fd);
    return 0;
}

编译：

1	gcc file_io.c -o file_io -Wall -Wextra -g

运行：

1 2	./file_io cat hello.txt

注意点：

系统调用失败通常返回 -1。
perror 可以打印最近一次错误原因。
打开的文件最后要 close。

四、进程

进程是程序的一次运行实例。Linux 中常用 fork 创建子进程。

#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    pid_t pid = fork();

    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        return 1;
    }

    if (pid == 0) {
        printf("child pid=%d\n", getpid());
        return 0;
    }

    printf("parent pid=%d child=%d\n", getpid(), pid);
    wait(NULL);
    return 0;
}

fork 返回值：

小于 0：创建失败。
等于 0：当前在子进程。
大于 0：当前在父进程，返回值是子进程 pid。

五、执行新程序

fork 只复制当前进程。如果要运行另一个程序，通常配合 exec。

#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        execlp("ls", "ls", "-la", NULL);
        perror("execlp");
        return 1;
    }

    wait(NULL);
    return 0;
}

如果 execlp 成功，后面的代码不会继续执行，因为当前进程映像已经被新程序替换。

六、线程

线程适合在同一个进程中并发执行任务。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

static void *worker(void *arg) {
    const char *name = arg;
    printf("worker: %s\n", name);
    return NULL;
}

int main(void) {
    pthread_t tid;

    if (pthread_create(&tid, NULL, worker, "task1") != 0) {
        perror("pthread_create");
        return 1;
    }

    pthread_join(tid, NULL);
    return 0;
}

编译时需要链接 pthread：

1	gcc thread_demo.c -o thread_demo -Wall -Wextra -g -pthread

线程之间共享进程地址空间，所以访问共享数据时要注意锁。

七、互斥锁

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

static int counter = 0;
static pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

static void *worker(void *arg) {
    (void)arg;
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        counter++;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    return NULL;
}

int main(void) {
    pthread_t t1, t2;
    pthread_create(&t1, NULL, worker, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, worker, NULL);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    printf("counter=%d\n", counter);
    return 0;
}

没有锁时，多个线程同时修改 counter 会产生竞态条件。

八、信号

信号是 Linux 通知进程事件的一种方式。

常见信号：

SIGINT：Ctrl+C。
SIGTERM：请求退出。
SIGKILL：强制退出，不能捕获。
SIGHUP：终端断开或重新加载配置。

示例：

#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

static volatile sig_atomic_t running = 1;

static void on_signal(int signo) {
    (void)signo;
    running = 0;
}

int main(void) {
    signal(SIGINT, on_signal);
    signal(SIGTERM, on_signal);

    while (running) {
        printf("running...\n");
        sleep(1);
    }

    printf("exit\n");
    return 0;
}

后台服务应该处理 SIGTERM，收到后释放资源、关闭文件、断开连接，然后退出。

九、错误处理

系统调用失败后要检查返回值，不要假设一定成功。

int fd = open("app.conf", O_RDONLY);
if (fd < 0) {
    perror("open app.conf");
    return 1;
}

常见错误：

ENOENT：文件不存在。
EACCES：权限不足。
EINTR：系统调用被信号中断。
EAGAIN：资源暂时不可用。

系统编程的代码通常比普通业务代码更重视错误分支，因为很多问题只会在真实环境中出现。

十、学习建议

建议按这个顺序练习：

文件读写。
目录遍历。
子进程创建和等待。
执行外部命令。
多线程计数器。
信号控制程序退出。
用 strace 观察自己的程序。

系统编程最重要的是理解程序和操作系统之间的边界：你的代码不是孤立运行的，它一直在向内核申请资源。