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Linux 系统编程基础

进程、信号、管道——用户态程序和内核打交道的方式。C/C++ 视角，与Daemon 编写、C++ 并发互补。

文件与文件描述符

Linux 一切皆文件：普通文件、管道、socket、终端都是一串字节流 + 一个整型 fd。POSIX API（open/read/write/close）是最底层接口，stdio（fopen/fread）是它的缓冲封装：

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

int fd = open("data.bin", O_RDONLY);
char buf[4096];
ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));    // 返回实际读到的字节数，0 表示 EOF，-1 出错
write(STDOUT_FILENO, buf, n);              // 0/1/2 = stdin/stdout/stderr，进程生来就有
close(fd);

ls /proc/self/fd 能看到当前进程打开的所有 fd——排查"too many open files"时先看这里。

进程

fork / exec / wait 三件套

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

pid_t pid = fork();                 // 复制进程：返回两次
if (pid == 0) {                     // 子进程
    execlp("ls", "ls", "-la", NULL);// exec 族：替换当前进程映像，成功则不再返回
    _exit(127);                     // exec 失败才会走到这
}
// 父进程
int status;
waitpid(pid, &status, 0);           // 回收子进程，否则变僵尸
if (WIFEXITED(status))
    printf("exit code: %d\n", WEXITSTATUS(status));

exec 族速记：l=list 逐个传参，v=vector 传数组；带 p 才会搜 PATH；带 e 自定义环境变量。日常 execvp / execlp 最常用。

僵尸进程与孤儿进程

是什么 谁负责
僵尸（Z 状态） 已退出但父进程还没 wait，残留 PID 和退出码占着进程表 父进程 wait/waitpid，或父进程退出后由 init 接管收尸
孤儿 父进程先退出，孩子还活着 被 init/systemd 收养，继续运行 
// 长期跑的服务里避免积僵尸：SIGCHLD 处理器里循环 wait
#include <signal.h>
void reaper(int sig) {
    while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0) { /* 回收完为止 */ }
}
signal(SIGCHLD, reaper);            // 或 sigaction（推荐，见下）

ps aux | grep defunct 看到 <defunct> 就是僵尸。

信号

信号是内核向进程投递的异步通知，默认动作大多是终止进程。

信号 触发 默认动作 常见用途
SIGINT Ctrl+C 终止 优雅退出（清理后 exit）
SIGTERM kill <pid> 终止 优雅退出的标准信号，服务 stop 命令发它
SIGKILL kill -9 终止 不可捕获不可忽略，最后手段
SIGSEGV 非法内存访问 终止 + core 转去打印调用堆栈
SIGPIPE 向已关闭的 socket 写 终止 网络服务必须忽略/处理
SIGCHLD 子进程退出 忽略 回收子进程
SIGHUP 终端断开 / 配置重载约定 终止 daemon 重载配置的约定信号 
#include <signal.h>

// 推荐用 sigaction 而不是老 signal()
struct sigaction sa = {0};
sa.sa_handler = handle_term;               // 或 SIG_IGN 忽略 / SIG_DFL 默认
sigemptyset(&sa.sa_mask);
sigaddset(&sa.sa_mask, SIGINT);            // 处理期间屏蔽 SIGINT
sa.sa_flags = SA_RESTART;                  // 自动重启被中断的系统调用
sigaction(SIGTERM, &sa, NULL);
signal(SIGPIPE, SIG_IGN);                  // 网络服务保命一行

信号处理器里不是什么都能干

处理器可能打断主流程中任意一行，只允许调用异步信号安全的函数（write、_exit 可以；printf、malloc、加锁都不行）。复杂逻辑的惯用法：处理器里只置一个 volatile sig_atomic_t 标志，主循环里检查它。

管道与 IPC 方式选择

#include <unistd.h>

int fds[2];
pipe(fds);                         // fds[0] 读端，fds[1] 写端

pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {                    // 子进程读
    close(fds[1]);                 // 不用的端要关掉，才能收到 EOF
    char buf[128];
    ssize_t n = read(fds[0], buf, sizeof(buf) - 1);
    buf[n] = '\0';
    printf("child got: %s\n", buf);
    _exit(0);
}
close(fds[0]);                     // 父进程写
write(fds[1], "hello", 5);
close(fds[1]);                     // 关写端 → 子进程 read 返回 0
waitpid(pid, NULL, 0);
IPC 方式 单向/双向 数据形态 适用
pipe / | 单向 字节流 父子进程，shell 管道
FIFO (mkfifo) 单向 字节流 无亲缘进程的"命名管道"
Unix domain socket 双向 字节流/报文 本机进程通信首选，还能传 fd
共享内存 shm 双向 裸内存 大数据量、极低延迟，自己加同步
消息队列 单向/双向 离散消息 系统级，新项目少用
信号 — 位 事件通知，不传数据

环境变量

#include <stdlib.h>
const char* home = getenv("HOME");        // 不存在返回 NULL，记得判空
setenv("MODE", "prod", 1);                // 1 = 覆盖
unsetenv("MODE");
extern char** environ;                    // 遍历所有环境变量

子进程继承父进程环境——这就是为什么 systemd 服务里可以用 Environment= 传配置。

再往下的路标

  • I/O 多路复用：select / poll / epoll——单线程监视成百上千个 fd，网络服务的基石（man 7 epoll）；
  • 线程：pthread_create，C++ 侧直接用 std::thread/std::jthread（见并发笔记）；
  • 后台服务化：见 Daemon 编写（fork + setsid + systemd）；
  • 系统级书籍：《The Linux Programming Interface》，链接见 Linux 资源整理。

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