Linux編程基礎

實驗二 Linux編程基礎

一、實驗目的
熟悉Linux下使用C語言編程的方法，通過在編程中使用進程式控制制系統調用功能，直觀理解Linux下進程並發執行情況。

二、實驗題目
使用vi編輯C語言來源程式；分析例子程式並通過man命令熟悉相關係統調用，編寫進程並發執行的程式；使用gcc、make等工具進行編譯；執行編譯產生的執行檔案並分析結果。

三、背景材料
因實驗用的Linux環境以字元介面為主，而Linux的字元介面並沒有廣泛使用的整合式開發環境，經典的C語言開發模式還是使用文本編輯軟體編寫來源程式，然後使用gcc和make工具進行編譯連結，產生可執行檔。在編輯來源程式環節，可以使用不同的文本編輯工具，例如在圖形化使用者介面下可以使用gedit或者kedit；字元介面下可以使用vi、emacs、nano等編輯器；甚至可以在其它環境下編輯，然後通過ftp上傳。
（一）編輯器vi的使用
vi或vim是Linux系統上經典的文本編輯工具，在字元介面下，廣泛用於系統管理、程式開發。本實驗要求熟悉vi基本操作，可以使用vi進行文本編輯。
1、調用vi
最常用的命令模式是：vi filename
2、vi的三種模式
Command（命令）模式，用於輸入命令；
Insert（插入）模式，用於插入文本；
Visual（可視）模式，用於可視化的的高亮並選定本文。
3、檔案的儲存和退出
Command模式是vi的預設模式，如果處於其它模式時，要通過ESC鍵切換過來，接著再輸入:號時，vi會在螢幕的最下方等待輸入命令；
:w 儲存；
:w filename 另存新檔filename；
:wq! 儲存退出；
:wq! filename 註：以filename為檔案名稱儲存後退出；
:q! 不儲存退出；
應該是儲存並退出 ，功能和:wq!相同
4、游標移動；
按ESC進入Command模式後，可以用下面的一些鍵位來移動游標；
j 向下移動一行；
k 向上移動一行；
h 向左移動一個字元；
l 向右移動一個字元；
ctrl+b 向上移動一屏；
ctrl+f 向下移動一屏；
向上箭頭 向上移動；
向下箭頭 向下移動；
向左箭頭 向左移動；
向右箭頭 向右移動；
對於 j、k、l和h鍵，還能在這些命令的前面加上數字，比如 3j，表示向下移動3行。
5、進入插入模式
i 在游標之前插入；
a 在游標之後插入；
I 在游標所在行的行首插入；
A 在游標所在行的行末插入；
o 在游標所在的行的上面插入一行；
O 在游標所在的行的下面插入一行；
s 刪除游標後的一個字元，然後進入插入模式；
S 刪除游標所在的行，然後進入插入模式；
6、常值內容的刪除
x 刪除一個字元；
#x 刪除幾個字元，#表示數字，比如3x；
dw 刪除一個單詞；
#dw 刪除幾個單詞，#用數字表示，比如3dw表示刪除三個單詞；
dd 刪除一行；
#dd 刪除多個行，#代表數字，比如3dd 表示刪除游標行及游標的下兩行；
d$ 刪除游標到行尾的內容；
J 清除游標所處的行與上一行之間的空格，把游標行和上一行接在一起；
7、可視模式
在最新的Linux發行版本中，vi提供了可視模式。按ESC鍵，然後按v就進入可視模式； 退出可視模式，還是用ESC鍵。可視模式提供了友好的選取文本範圍，以高亮顯示。
8、複製和粘帖的操作
複製：對於可視模式下選中的文本，可以按y進行複製；按yy可以複製當前游標所在行。此外，刪除也帶有剪下的意思，當我們刪除文字時，相應內容會自動複製；
粘貼：可以把游標移動到某處，然後按p或shift+p鍵進行粘貼，其中，p 在游標之後粘帖；shift+p 在游標之前粘帖。
9、行號
可以在命令模式輸入 :set number 來開啟行號顯示，輸入 :set number 來關閉行號顯示。
10、尋找功能
在命令模式下，輸入/或?就可以進行尋找；
/SEARCH 註：正向尋找，按n鍵把游標移動到下一個合格地方；
?SEARCH 註：反向尋找，按shift+n 鍵，把游標移動到下一個合格
11、替換功能
按ESC鍵進入命令模式；
:s /SEARCH/REPLACE/g 註：把當前游標所處的行中的SEARCH單詞，替換成REPLACE，並把所有SEARCH高亮顯示；
:%s /SEARCH/REPLACE 註：把文檔中所有SEARCH替換成REPLACE；
:#,# s /SEARCH/REPLACE/g 註：＃號表示數字，表示從多少行到多少行，把SEARCH替換成REPLACE；
註：命令中g表示全域尋找，在指定的替換範圍之外，也會把SEARCH高亮顯示。

（二）gcc和make的使用
Linux下編輯好的C語言程式，需要使用gcc編譯工具(Linux系統上一般也可以通過cc別名調用)進行編譯串連，產生可執行檔。對於複雜的應用，可能把多個來源程式分別編譯，最後串連形成執行檔案；為了有效管理這類項目，make代碼維護工具可以用來定義一系列規則來管理編譯串連過程。
【注】Linux下的可執行檔沒有特別的尾碼名約定，而是通過設定“可執行”屬性來區分；另外，Linux預設的執行檔案搜尋路徑也不包括目前的目錄，所以編譯產生的執行檔案需要顯示指明檔案路徑來執行。
1、gcc的使用
(1) 簡單使用方法
假設一個C語言來源程式名為demo.c，根據該檔案產生執行檔案的最簡單命令為：
gcc hello.c
該命令將產生預設名字為a.out的執行檔案；如果希望產生執行檔案的名字不同，可以在命令中通過參數指定：
gcc -o hello hello.c
該命令將產生名字為demo的執行檔案。
(2) 分解使用
實際上，gcc所做的工作包括先行編譯、編譯、串連等多個環節，上述簡單用法隱含了對這幾個環節的調用，如果需要分開調用，可以通過不同的命令列參數指定：
gcc -E hello.c -o hello.i-E參數指定進行先行編譯，預先處理的宏定義插入到hello.i中；
gcc -c hello.i -o hello.o-c參數指定編譯為目標代碼 hello.o，也可以通過源檔案直接產生(gcc -c hello.c)；
gcc hello.o -o hello將產生可執行檔，如果由多個來源程式檔案產生，一般需要在產生時指定多個目標代碼模組，例如：gcc hello.o e1.o s2.o -o hello
(3) 常用參數
gcc命令列的常用參數如下：
-c 通知GCC取消連結步驟，即編譯源碼並在最後產生目標檔案；
-Dmacro 定義指定的宏，使它能夠通過源碼中的#ifdef進行檢驗；
-E 不經過編譯預先處理程式的輸出而輸送至標準輸出；
-g3 獲得有關偵錯工具的詳細資料，它不能與-o選項聯合使用；
-Idirectory 在包含檔案搜尋路徑的起點處添加指定目錄；
-llibrary 提示連結程式在建立最終可執行檔時包含指定的庫；
-O、-O2、-O3 將最佳化狀態開啟，該選項不能與-g選項聯合使用；
-S 要求編譯器產生來自原始碼的組譯工具輸出；
-v 啟動所有警報；
-Wall 在發生警報時取消編譯操作，即將警報看作是錯誤；
-Werror 在發生警報時取消編譯操作，即把警示當作是錯誤；
-w 禁止所有的警示。
2、make的使用
(1) make工具簡介
make是一種代碼維護工具，在大中型項目中，根據程式各個模組的更新情況，自動的維護和產生目標。能很好的做到“不多、不重、不漏”：
•不多：只更新那些需要更新的檔案，而不動那些並不過時的東西；
•不重：是指當make對某個檔案進行更新時，即使有很多檔案過時，也將只更新一次；
•不漏：是指他不會漏下任何應該更新的檔案。
make在使用時有一系列的規則，將根據這些規則來解釋其配置指令碼，以達到設計目的。配置指令碼的預設名是makefile或Makefile，也可在命令列指定其它檔案名稱。使用形式為：
make [option] [macrodef] [target]
option指出make的工作行為，具體參數可參考man手冊頁。
(2) makefile檔案編寫
make工具使用的關鍵是編寫高效、簡潔、正確的makefile，這需要學習和實踐。雖然make工具的使用有較高的門檻，但是一旦掌握，其帶來的靈活和便捷遠遠超過一般IDE所能提供的管理功能。
實際makefile檔案編寫涉及的知識很多，有專著專門最次講解。此處只是介紹概貌，藉助一個簡單的例子來說明：假設一個項目hello，依賴於hello.o、e1.o、e2.o，而hello.o依賴於hello.c、hello.h，e1.o依賴於e1.c、hello.h，e2.o依賴於e2.c；這樣形成一棵相依樹狀結構，父節點依賴於子節點。使用make進行維護時，會對這棵樹進行一次遍曆，如果發現子節點形成的時間晚於父節點形成的時間便開始調用makefile中指定的命令進行維護。針對此例子的makefile樣本如下：
hello: hello.o e1.o e2.o
gcc -o hello hello.o e1.o e2.o
main.o: hello.c hello.h
gcc -c hello.c
e1.o: e1.c hello.h
gcc -c e1.c hello.h
e2.o: e2.c
gcc -c e2.c
makefile放置在與項目來源程式檔案相同目錄中，在該目錄中執行make hello或者make命令(命令列未target時會預設使用makefile的第一個target)，將會根據makefile中定義的依賴關係依次執行編譯、串連各個命令，產生hello執行檔案。
實際項目的makefile因為會使用大量的宏、條件變數以及預設規則，對初學者而言較難理解。對於一般的開源項目，在編寫makefile時，target的命名都會遵循一些預定俗稱的規則，常見的用法包括：
make all編譯項目中所有實際目標
make install進行安裝
make clean清除所有中間檔案
(3) 預設規則和簡單用法
make的預設規則是系統或者自訂的一些規則，在定義時不指出全名，而是根據副檔名定義一類依賴關係和相關命令。例如，與c語言相關的預設規則包括：
.c:
$(CC) $(FLAGS) -o $@ $
#include
#include

int main(void)
{
int x, i;

printf("Input a initial value for i: ");
scanf("%d", &i);
while((x=fork())==-1);
if(x==0)/* child run */
{
printf("When child runs, i=%d/n", i);
printf("Input a value in child: ");
scanf("%d", &i);
printf("i=%d/n", i);
}
else/* parent run */
{
wait();
printf("After child runs, in parent, i=%d/n", i);
}
}
(2) 預測程式的執行結果
閱讀程式，根據自己的理解，預期程式執行後的結果。
(3) 實際執行結果分析
編譯產生執行檔案，執行後記錄結果，說明與預期的結果是否一致。分析為什麼是這樣的結果。

2、父子進程執行過程分析
(1) 按照給定架構編程
按照如下程式架構，完成來源程式編寫：
// ①
pid=fork();
// ②
if(pid==0)
{
sleep(3);
printf("Child: pid=%d, ppid=%d/n", getpid(), getppid());
}
else
{
printf("Parent: Child=%d, pid=%d, ppid=%d/n", pid, getpid(), getppid());
wait();
printf("After Child ends./n");
}
printf("In which process?/n"); // ③
(2) 預測程式的執行結果
閱讀程式，根據自己的理解，預期程式執行後的結果。
(3) 實際執行結果分析
編譯產生執行檔案，執行後記錄結果，說明與預期的結果是否一致。分析為什麼是這樣的結果。
(4) 修改程式並分析執行結果
把程式架構中最後一句輸出語句（位置③處）分別移至位置①和②處，預期輸出結果是什嗎？實際執行結果如何？分析原因。
(5) 修改程式驗證父子進程關係
修改程式，使父進程先執行完成，驗證子進程是否會一起終止？如果不是，前後子進程的父進程號是否變化？記錄並分析結果。

五、實驗報告書寫要求
應在實驗報告中說明如下事項：
1、所使用的文字編輯器；
2、編譯產生執行檔案的命令；
3、相關程式的名稱及儲存位置，以便指導教師抽查；
4、實驗內容1的結果：包括預期結果和實際執行結果，以及結果分析；
5、實驗內容2的結果：包括預期結果和實際執行結果，對結果的分析；按照要求進行修改後的預期結果、實際結果及分析。