Системное программирование в Linux

Введение

Системное программирование — это разработка программного обеспечения, которое взаимодействует напрямую с операционной системой и аппаратным обеспечением. В Linux системное программирование охватывает широкий спектр задач: от работы с файлами и процессами до управления памятью и сетевыми интерфейсами.

1. Языки программирования

• C: Основной язык для системного программирования в Linux. Большинство системных вызовов и библиотек написаны на C.
• C++: Также используется, особенно в современных проектах, где требуется объектно-ориентированный подход.
• Ассемблер: Для крайне низкоуровневых задач.
• Rust: Набирает популярность благодаря безопасности и производительности.

2. Системные вызовы (System Calls)

Системные вызовы — это интерфейс между пользовательскими программами и ядром Linux. Примеры:

• fork(): Создание нового процесса.
• exec(): Замена образа процесса.
• open(), read(), write(), close(): Работа с файлами.
• socket(), bind(), listen(), accept(): Сетевые взаимодействия.
• mmap(): Работа с памятью.
• wait(): Ожидание завершения дочернего процесса.

Пример использования fork():

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        printf("Child process\n");
    } else {
        printf("Parent process\n");
    }
    return 0;
}

3. Библиотеки

• Glibc: Стандартная библиотека C, предоставляющая обёртки для системных вызовов.
• POSIX: Стандарт, определяющий API для совместимости между UNIX-подобными системами.
• Boost: Для C++ разработки, предоставляет высокоуровневые абстракции.

4. Работа с процессами

• Создание процессов: fork(), exec().
• Управление процессами: wait(), kill(), signal().
• Межпроцессное взаимодействие (IPC):
  • Каналы (pipes): pipe().
  • Очереди сообщений: msgget(), msgsnd(), msgrcv().
  • Разделяемая память: shmget(), shmat().
  • Семафоры: semget(), semop().

5. Работа с файловой системой

• Открытие, чтение и запись файлов: open(), read(), write().
• Управление файловыми дескрипторами: dup(), fcntl().
• Работа с каталогами: opendir(), readdir().
• Изменение прав доступа: chmod(), chown().

6. Управление памятью

• Выделение памяти: malloc(), free().
• Работа с виртуальной памятью: mmap(), munmap().
• Управление стеком и кучей.

7. Сетевое программирование

• Создание сокетов: socket().
• Установка соединений: bind(), listen(), accept(), connect().
• Передача данных: send(), recv().
• Работа с протоколами: TCP, UDP, HTTP и др.

Пример TCP-сервера:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    int server_socket, client_socket;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);
    char buffer[1024];

    server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8080);
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    bind(server_socket, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
    listen(server_socket, 5);

    client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr*)&client_addr, &addr_len);
    read(client_socket, buffer, sizeof(buffer));
    printf("Received: %s\n", buffer);
    close(client_socket);
    close(server_socket);
    return 0;
}

8. Многопоточность

• Создание потоков: pthread_create().

• Синхронизация: мьютексы (pthread_mutex_t), условные переменные (pthread_cond_t).

• Пример:

  #include <pthread.h>
  #include <stdio.h>
  
  void* thread_func(void* arg) {
      printf("Hello from thread!\n");
      return NULL;
  }
  
  int main() {
      pthread_t thread;
      pthread_create(&thread, NULL, thread_func, NULL);
      pthread_join(thread, NULL);
      return 0;
  }
  

9. Отладка и профилирование

• GDB: Отладчик для C/C++.
• Valgrind: Инструмент для поиска утечек памяти.
• strace: Трассировка системных вызовов.
• perf: Профилирование производительности.

10. Инструменты разработки

• Компиляторы: GCC, Clang.
• Сборка проектов: Make, CMake.
• Системы контроля версий: Git.