《UNIX環(huán)境高級編程》(簡稱APUE)幾乎是Linux領(lǐng)域程序員人手必備的一本書。但在掌握和理解APUE的內(nèi)容后，又該如何繼續(xù)提高自己的技能， 如何更深入地理解Linux環(huán)境編程及其背后的工作機(jī)制呢？本書將從一個全新的角度帶領(lǐng)讀者重新進(jìn)入Linux環(huán)境編程，從應(yīng)用出發(fā)，深入內(nèi)核源碼，研究 Linux各接口的工作機(jī)制和原理，讓讀者不僅知其然，還知其所以然。作為Linux開發(fā)工程師，如果不僅掌握Linux的應(yīng)用層開發(fā)，同時還熟悉 Linux的內(nèi)核源碼，那么其在Linux環(huán)境下設(shè)計開發(fā)任何產(chǎn)品都將游刃有余，穩(wěn)定且高效。
本書是Linux技術(shù)專家高峰和李彬的合力之 作，是兩個人多年開發(fā)經(jīng)驗的總結(jié)和分享，也是市場上一本將Linux應(yīng)用態(tài)與內(nèi)核態(tài)相結(jié)合的技術(shù)圖書，選擇這種寫作方式是為了向APUE的作者致敬。 本書涵蓋了APUE中大部分章節(jié)的內(nèi)容，并針對Linux環(huán)境，以作者多年經(jīng)驗，詳細(xì)解析了Linux常用接口的使用方法和陷阱。為了讓讀者更清楚地理解 接口的工作原理，對于絕大部分接口，作者都會深入C庫或內(nèi)核源碼進(jìn)行分析。希望本書可以幫助讀者打通Linux環(huán)境的應(yīng)用和內(nèi)核兩條脈絡(luò)，使兩條線融 會貫通，進(jìn)一步提高開發(fā)水平。
高峰，北京理工大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)碩士學(xué)位。畢業(yè)后在A10 Networks公司工作六年多，任職Staff Software Engineer，目前在創(chuàng)業(yè)公司全訊匯聚(愛快路由)擔(dān)任技術(shù)總監(jiān)。多年來一直專注于網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，熟悉Linux內(nèi)核、應(yīng)用及服務(wù)端的設(shè)計、開發(fā)和架構(gòu)， 對TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有深刻的認(rèn)識和理解。編碼功力深厚，知識領(lǐng)域廣博，擅長產(chǎn)品的性能改進(jìn)和調(diào)優(yōu)。撰寫過大量技術(shù)文章，并為多個知名開源項目貢獻(xiàn)過代 碼。
李彬，東南大學(xué)信號與信息處理專業(yè)碩士。畢業(yè)后先后任職中興通訊、趨勢科技，目前在存儲公司Bigtera擔(dān)任SEG部門技術(shù)負(fù) 責(zé)人。一直專注于Linux平臺下的開發(fā)，多年分布式存儲開發(fā)經(jīng)驗，熟悉Linux內(nèi)核，編程基本功扎實，對性能優(yōu)化、bug定位有異乎尋常的愛好，屬于 “死磕派”研發(fā)工程師。喜歡技術(shù)分享和交流，在社區(qū)和公司內(nèi)部分享過大量技術(shù)文章。
前 言
第0章 基礎(chǔ)知識1
0.1 一個Linux程序的誕生記1
0.2 程序的構(gòu)成2
0.3 程序是如何“跑”的4
0.4 背景概念介紹5
0.4.1 系統(tǒng)調(diào)用5
0.4.2 C庫函數(shù)6
0.4.3 線程安全7
0.4.4 原子性9
0.4.5 可重入函數(shù)9
0.4.6 阻塞與非阻塞11
0.4.7 同步與非同步11
第1章 文件I/O12
1.1 Linux中的文件12
1.1.1 文件、文件描述符和文件表12
1.1.2 內(nèi)核文件表的實現(xiàn)13
1.2 打開文件14
1.2.1 open介紹14
1.2.2 更多選項15
1.2.3 open源碼跟蹤16
1.2.4 如何選擇文件描述符17
1.2.5 文件描述符fd與文件管理結(jié)構(gòu)file18
1.3 creat簡介19
1.4 關(guān)閉文件19
1.4.1 close介紹19
1.4.2 close源碼跟蹤19
1.4.3 自定義files_operations21
1.4.4 遺忘close造成的問題22
1.4.5 如何查找文件資源泄漏25
1.5 文件偏移26
1.5.1 lseek簡介26
1.5.2 小心lseek的返回值26
1.5.3 lseek源碼分析27
1.6 讀取文件29
1.6.1 read源碼跟蹤29
1.6.2 部分讀取30
1.7 寫入文件31
1.7.1 write源碼跟蹤31
1.7.2 追加寫的實現(xiàn)33
1.8 文件的原子讀寫33
1.9 文件描述符的復(fù)制34
1.10 文件數(shù)據(jù)的同步38
1.11 文件的元數(shù)據(jù)41
1.11.1 獲取文件的元數(shù)據(jù)41
1.11.2 內(nèi)核如何維護(hù)文件的元數(shù)據(jù)42
1.11.3 權(quán)限位解析43
1.12 文件截斷45
1.12.1 truncate與ftruncate的簡單介紹45
1.12.2 文件截斷的內(nèi)核實現(xiàn)45
1.12.3 為什么需要文件截斷48
第2章 標(biāo)準(zhǔn)I/O庫50
2.1 stdin、stdout和stderr50
2.2 I/O緩存引出的趣題51
2.3 fopen和open標(biāo)志位對比52
2.4 fdopen與fileno55
2.5 同時讀寫的痛苦56
2.6 ferror的返回值57
2.7 clearerr的用途57
2.8 小心fgetc和getc60
2.9 注意fread和fwrite的返回值60
2.10 創(chuàng)建臨時文件61
第3章 進(jìn)程環(huán)境66
3.1 main是C程序的開始嗎66
3.2 “活雷鋒”exit70
3.3 atexit介紹75
3.3.1 使用atexit75
3.3.2 atexit的局限性76
3.3.3 atexit的實現(xiàn)機(jī)制77
3.4 小心使用環(huán)境變量78
3.5 使用動態(tài)庫80
3.5.1 動態(tài)庫與靜態(tài)庫80
3.5.2 編譯生成和使用動態(tài)庫80
3.5.3 程序的“平滑無縫”升級82
3.6 避免內(nèi)存問題84
3.6.1 尷尬的realloc84
3.6.2 如何防止內(nèi)存越界85
3.6.3 如何定位內(nèi)存問題86
3.7 “長跳轉(zhuǎn)”longjmp90
3.7.1 setjmp與longjmp的使用90
3.7.2 “長跳轉(zhuǎn)”的實現(xiàn)機(jī)制91
3.7.3 “長跳轉(zhuǎn)”的陷阱93
第4章 進(jìn)程控制：進(jìn)程的一生96
4.1 進(jìn)程ID96
4.2 進(jìn)程的層次98
4.2.1 進(jìn)程組99
4.2.2 會話102
4.3 進(jìn)程的創(chuàng)建之fork()103
4.3.1 fork之后父子進(jìn)程的內(nèi)存關(guān)系104
4.3.2 fork之后父子進(jìn)程與文件的關(guān)系107
4.3.3 文件描述符復(fù)制的內(nèi)核實現(xiàn)110
4.4 進(jìn)程的創(chuàng)建之vfork()115
4.5 daemon進(jìn)程的創(chuàng)建117
4.6 進(jìn)程的終止119
4.6.1 _exit函數(shù)119
4.6.2 exit函數(shù)120
4.6.3 return退出122
4.7 等待子進(jìn)程122
4.7.1 僵尸進(jìn)程122
4.7.2 等待子進(jìn)程之wait()124
4.7.3 等待子進(jìn)程之waitpid()126
4.7.4 等待子進(jìn)程之等待狀態(tài)值129
4.7.5 等待子進(jìn)程之waitid()131
4.7.6 進(jìn)程退出和等待的內(nèi)核實現(xiàn)133
4.8 exec家族141
4.8.1 execve函數(shù)141
4.8.2 exec家族142
4.8.3 execve系統(tǒng)調(diào)用的內(nèi)核實現(xiàn)144
4.8.4 exec與信號151
4.8.5 執(zhí)行exec之后進(jìn)程繼承的屬性152
4.9 system函數(shù)152
4.9.1 system函數(shù)接口153
4.9.2 system函數(shù)與信號156
4.10 總結(jié)157
第5章 進(jìn)程控制：狀態(tài)、調(diào)度和優(yōu)先級158
5.1 進(jìn)程的狀態(tài)158
5.1.1 進(jìn)程狀態(tài)概述159
5.1.2 觀察進(jìn)程狀態(tài)171
5.2 進(jìn)程調(diào)度概述173
5.3 普通進(jìn)程的優(yōu)先級181
5.4 公平調(diào)度的實現(xiàn)186
5.4.1 時間片和虛擬運行時間186
5.4.2 周期性調(diào)度任務(wù)190
5.4.3 新進(jìn)程的加入192
5.4.4 睡眠進(jìn)程醒來198
5.4.5 喚醒搶占202
5.5 普通進(jìn)程的組調(diào)度204
5.6 實時進(jìn)程207
5.6.1 實時調(diào)度策略和優(yōu)先級207
5.6.2 實時調(diào)度相關(guān)API211
5.6.3 限制實時進(jìn)程運行時間213
5.7 CPU的親和力214
第6章 信號219
6.1 信號的完整生命周期219
6.2 信號的產(chǎn)生220
6.2.1 硬件異常220
6.2.2 終端相關(guān)的信號221
6.2.3 軟件事件相關(guān)的信號223
6.3 信號的默認(rèn)處理函數(shù)224
6.4 信號的分類227
6.5 傳統(tǒng)信號的特點228
6.5.1 信號的ONESHOT特性230
6.5.2 信號執(zhí)行時屏蔽自身的特性232
6.5.3 信號中斷系統(tǒng)調(diào)用的重啟特性233
6.6 信號的性236
6.6.1 信號的性實驗236
6.6.2 信號性差異的根源240
6.7 信號的安裝243
6.8 信號的發(fā)送246
6.8.1 kill、tkill和tgkill246
6.8.2 raise函數(shù)247
6.8.3 sigqueue函數(shù)247
6.9 信號與線程的關(guān)系253
6.9.1 線程之間共享信號處理函數(shù)254
6.9.2 線程有獨立的阻塞信號掩碼255
6.9.3 私有掛起信號和共享掛起信號257
6.9.4 致命信號下，進(jìn)程組全體退出260
6.10 等待信號260
6.10.1 pause函數(shù)261
6.10.2 sigsuspend函數(shù)262
6.10.3 sigwait函數(shù)和sigwaitinfo函數(shù)263
6.11 通過文件描述符來獲取信號265
6.12 信號遞送的順序267
6.13 異步信號安全272
6.14 總結(jié)275
第7章 理解Linux線程(1)276
7.1 線程與進(jìn)程276
7.2 進(jìn)程ID和線程ID281
7.3 pthread庫接口介紹284
7.4 線程的創(chuàng)建和標(biāo)識285
7.4.1 pthread_create函數(shù)285
7.4.2 線程ID及進(jìn)程地址空間布局286
7.4.3 線程創(chuàng)建的默認(rèn)屬性291
7.5 線程的退出292
7.6 線程的連接與分離293
7.6.1 線程的連接293
7.6.2 為什么要連接退出的線程295
7.6.3 線程的分離299
7.7 互斥量300
7.7.1 為什么需要互斥量300
7.7.2 互斥量的接口304
7.7.3 臨界區(qū)的大小305
7.7.4 互斥量的性能306
7.7.5 互斥鎖的公平性310
7.7.6 互斥鎖的類型311
7.7.7 死鎖和活鎖314
7.8 讀寫鎖316
7.8.1 讀寫鎖的接口317
7.8.2 讀寫鎖的競爭策略318
7.8.3 讀寫鎖總結(jié)323
7.9 性能殺手：偽共享323
7.10 條件等待328
7.10.1 條件變量的創(chuàng)建和銷毀328
7.10.2 條件變量的使用329
第8章 理解Linux線程(2)333
8.1 線程取消333
8.1.1 函數(shù)取消接口333
8.1.2 線程清理函數(shù)335
8.2 線程局部存儲339
8.2.1 使用NPTL庫函數(shù)實現(xiàn)線程局部存儲340
8.2.2 使用__thread關(guān)鍵字實現(xiàn)線程局部存儲342
8.3 線程與信號343
8.3.1 設(shè)置線程的信號掩碼344
8.3.2 向線程發(fā)送信號344
8.3.3 多線程程序?qū)π盘柕奶幚?45
8.4 多線程與fork()345
第9章 進(jìn)程間通信：管道349
9.1 管道351
9.1.1 管道概述351
9.1.2 管道接口352
9.1.3 關(guān)閉未使用的管道文件描述符356
9.1.4 管道對應(yīng)的內(nèi)存區(qū)大小361
9.1.5 shell管道的實現(xiàn)361
9.1.6 與shell命令進(jìn)行通信(popen)362
9.2 命名管道FIFO365
9.2.1 創(chuàng)建FIFO文件365
9.2.2 打開FIFO文件366
9.3 讀寫管道文件367
9.4 使用管道通信的示例372
第10章 進(jìn)程間通信：System V IPC375
10.1 System V IPC概述375
10.1.1 標(biāo)識符與IPC Key376
10.1.2 IPC的公共數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)379
10.2 System V消息隊列383
10.2.1 創(chuàng)建或打開一個消息隊列383
10.2.2 發(fā)送消息385
10.2.3 接收消息388
10.2.4 控制消息隊列390
10.3 System V信號量391
10.3.1 信號量概述391
10.3.2 創(chuàng)建或打開信號量393
10.3.3 操作信號量395
10.3.4 信號量撤銷值399
10.3.5 控制信號量400
10.4 System V共享內(nèi)存402
10.4.1 共享內(nèi)存概述402
10.4.2 創(chuàng)建或打開共享內(nèi)存403
10.4.3 使用共享內(nèi)存405
10.4.4 分離共享內(nèi)存407
10.4.5 控制共享內(nèi)存408
第11章 進(jìn)程間通信：POSIX IPC410
11.1 POSIX IPC概述411
11.1.1 IPC對象的名字411
11.1.2 創(chuàng)建或打開IPC對象413
11.1.3 關(guān)閉和刪除IPC對象414
11.1.4 其他414
11.2 POSIX消息隊列415
11.2.1 消息隊列的創(chuàng)建、打開、關(guān)閉及刪除415
11.2.2 消息隊列的屬性418
11.2.3 消息的發(fā)送和接收422
11.2.4 消息的通知423
11.2.5 I/O多路復(fù)用監(jiān)控消息隊列427
11.3 POSIX信號量428
11.3.1 創(chuàng)建、打開、關(guān)閉和刪除有名信號量430
11.3.2 信號量的使用431
11.3.3 無名信號量的創(chuàng)建和銷毀432
11.3.4 信號量與futex433
11.4 內(nèi)存映射mmap436
11.4.1 內(nèi)存映射概述436
11.4.2 內(nèi)存映射的相關(guān)接口438
11.4.3 共享文件映射439
11.4.4 私有文件映射455
11.4.5 共享匿名映射455
11.4.6 私有匿名映射456
11.5 POSIX共享內(nèi)存456
11.5.1 共享內(nèi)存的創(chuàng)建、使用和刪除457
11.5.2 共享內(nèi)存與tmpfs458
第12章 網(wǎng)絡(luò)通信：連接的建立462
12.1 socket文件描述符462
12.2 綁定IP地址463
12.2.1 bind的使用464
12.2.2 bind的源碼分析465
12.3 客戶端連接過程468
12.3.1 connect的使用468
12.3.2 connect的源碼分析469
12.4 服務(wù)器端連接過程477
12.4.1 listen的使用477
12.4.2 listen的源碼分析478
12.4.3 accept的使用480
12.4.4 accept的源碼分析480
12.5 TCP三次握手的實現(xiàn)分析483
12.5.1 SYN包的發(fā)送483
12.5.2 接收SYN包，發(fā)送SYN ACK包485
12.5.3 接收SYN ACK數(shù)據(jù)包494
12.5.4 接收ACK數(shù)據(jù)包，完成三次握手499
第13章 網(wǎng)絡(luò)通信：數(shù)據(jù)報文的發(fā)送505
13.1 發(fā)送相關(guān)接口505
13.2 數(shù)據(jù)包從用戶空間到內(nèi)核空間的流程506
13.3 UDP數(shù)據(jù)包的發(fā)送流程510
13.4 TCP數(shù)據(jù)包的發(fā)送流程517
13.5 IP數(shù)據(jù)包的發(fā)送流程527
13.5.1 ip_send_skb源碼分析528
13.5.2 ip_queue_xmit源碼分析531
13.6 底層模塊數(shù)據(jù)包的發(fā)送流程532
第14章 網(wǎng)絡(luò)通信：數(shù)據(jù)報文的接收536
14.1 系統(tǒng)調(diào)用接口536
14.2 數(shù)據(jù)包從內(nèi)核空間到用戶空間的流程537
14.3 UDP數(shù)據(jù)包的接收流程540
14.4 TCP數(shù)據(jù)包的接收流程544
14.5 TCP套接字的三個接收隊列553
14.6 從網(wǎng)卡到套接字556
14.6.1 從硬中斷到軟中斷556
14.6.2 軟中斷處理557
14.6.3 傳遞給協(xié)議棧流程559
14.6.4 IP協(xié)議處理流程564
14.6.5 大師的錯誤？原始套接字的接收568
14.6.6 注冊傳輸層協(xié)議571
14.6.7 確定UDP套接字571
14.6.8 確定TCP套接字576
第15章 編寫安全無錯代碼582
15.1 不要用memcmp比較結(jié)構(gòu)體582
15.2 有符號數(shù)和無符號數(shù)的移位區(qū)別583
15.3 數(shù)組和指針584
15.4 再論數(shù)組首地址587
15.5 “神奇”的整數(shù)類型轉(zhuǎn)換588
15.6 小心volatile的原子性誤解589
15.7 有趣的問題：“x == x”何時為假？591
15.8 小心浮點陷阱593
15.8.1 浮點數(shù)的精度限制593
15.8.2 兩個特殊的浮點值593
15.9 Intel移位指令陷阱595
李彬是一個內(nèi)斂且內(nèi)秀的人，平日不多的話語并不影響他雋秀的文筆和縝密的思路。他通過各種隱喻的方式，將很多復(fù)雜甚至龐雜的問題，抽絲剝繭，層層分解，將 其內(nèi)在的部分展現(xiàn)在你的面前。文中有大道至簡的錦章佳句，也不乏詼諧幽默的流行俗語，雅俗并濟(jì)但不顯突兀和生硬，所有的一切都是為了讓讀者更好地理 解書中的內(nèi)容。區(qū)別于其他編程圖書中大量代碼示例的堆疊和羅列、各種長篇大論的代碼走讀分析，本書從環(huán)境入手，對環(huán)境進(jìn)行剖析，一切娓娓道來，由淺入深； 通過精致的小工具或者小程序，讓讀者快速探索環(huán)境，了解環(huán)境，熟悉環(huán)境，從而進(jìn)一步利用環(huán)境，改造環(huán)境。
——李銅舒(Bruce Lee) Bigtera研發(fā)副總裁
高峰根據(jù)自己多年的編程經(jīng)驗, 深入淺出地介紹了Linux下C編程常用的方方面面。這是一本很棒的學(xué)習(xí)用書，特別是他還總結(jié)了自己編程中遇到的有趣問題，了解這些問題對提高程序員的編程技能是很有幫助的。后一章值得精讀。
——李海濤 A10 Networks Senior Manager
本書可以說是繼承了W. Richard Stevens的《UNIX環(huán)境高級編程》的傳統(tǒng)并有所超，它重點介紹并剖析了Linux內(nèi)核所提供的API以及API在內(nèi)核中的實現(xiàn)，同時描述了 glibc對Linux API的封裝，以及使用某些glibc函數(shù)時遇到的問題。不管是內(nèi)容的廣度還是深度，本書都達(dá)到了《UNIX環(huán)境高級編程》的高度。而且由于Linux的 開源特性，讓我們有機(jī)會更深入地了解API實現(xiàn)的細(xì)節(jié)，這對我們寫出更高效、更健壯的程序很有幫助。“知其然，知其所以然”應(yīng)該是每個程序員的追求，如果 你對Linux環(huán)境下的編程感興趣，并希望了解更多的話，本書不容錯過。
——朱小平 高級技術(shù)專家
本書非常地介紹了Linux環(huán)境下編程所需的技術(shù)和知識，分析深入淺出，理論與實踐相結(jié)合，且都是作者經(jīng)驗之談，即使如我這般在Linux下使用C編程超過10年的程序員也是受益良多。因此，無論你是初學(xué)還是提升，本書都值得一讀。
——夏艦波 華為博學(xué)研發(fā)工程師
