Linux应用编程概念

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前言

对于大多数首次接触 Linux 应用编程的读者来说，可能对应用编程（也可称为系统编程）这个概念并不太了解，所以在正式学习 Linux 应用编程之前，有必要向大家介绍这些简单基本的概念，从整体上认识到应用编程为何物？与驱动编程、裸机编程有何不同？

了解本节所介绍的内容是掌握应用编程的先决条件，所以本节主要内容便是对 Linux 应用编程进行一
个简单地介绍，让读者对此有一个基本的认识。
本节将会讨论如下主题内容。
⚫ 何为系统调用；
⚫ 何为库函数；
⚫ 应用程序的 main()函数；
⚫ 应用程序开发环境的介绍。

一、系统调用

系统调用（system call）其实是 Linux 内核提供给应用层的应用编程接口（API），是 Linux 应用层进入内核的入口。不止 Linux 系统，所有的操作系统都会向应用层提供系统调用，应用程序通过系统调用来使用操作系统提供的各种服务。

通过系统调用，Linux 应用程序可以请求内核以自己的名义执行某些事情，譬如打开磁盘中的文件、读
写文件、关闭文件以及控制其它硬件外设。通过系统调用 API，应用层可以实现与内核的交互，其关系可通过下图简单描述：

内核提供了一系列的服务、资源、支持一系列功能，应用程序通过调用系统调用 API 函数来使用内核
提供的服务、资源以及各种各样的功能，如果大家接触过其它操作系统编程，想必对此并不陌生，譬如Windows 应用编程，操作系统内核一般都会向应用程序提供应用编程接口 API，否则我们将我无法使用操作系统。

应用编程与裸机编程、驱动编程有什么区别？

在学习应用编程之前，相信大家都有过软件开发经验，譬如 51、STM32 等单片机软件开发、以及嵌入式 Linux 硬件平台下的驱动开发等，51、STM32 这类单片机的软件开发通常是裸机程序开发，并不会涉及到操作系统的概念，那应用编程与裸机编程以及驱动开发有什么区别呢？
就拿嵌入式 Linux 硬件平台下的软件开发来说，我们大可将编程分为三种，分别为裸机编程、Linux 驱
动编程以及 Linux 应用编程。首先对于裸机编程这个概念来说很好理解，一般把没有操作系统支持的编程环境称为裸机编程环境，譬如单片机上的编程开发，编写直接在硬件上运行的程序，没有操作系统支持；狭义上 Linux 驱动编程指的是基于内核驱动框架开发驱动程序，驱动开发工程师通过调用 Linux 内核提供的接口完成设备驱动的注册，驱动程序负责底层硬件操作相关逻辑，如果学习过 Linux 驱动开发的读者，想必对此并不陌生；而 Linux 应用编程（系统编程）则指的是基于 Linux 操作系统的应用编程，在应用程序中通过调用系统调用 API 完成应用程序的功能和逻辑，应用程序运行于操作系统之上。通常在操作系统下有两种不同的状态：内核态和用户态，应用程序运行在用户态、而内核则运行在内核态。

二、库函数

前面给大家介绍了系统调用，系统调用是内核直接向应用层提供的应用编程接口，譬如 open、write、
read、close 等，关于这些系统调用后面会给大家进行详细介绍。编写应用程序除了使用系统调用之外，我们还可以使用库函数，本小节来聊一聊库函数。

库函数也就是 C 语言库函数，C 语言库是应用层使用的一套函数库，在 Linux 下，通常以动态（.so）
库文件的形式提供，存放在根文件系统/lib 目录下，C 语言库函数构建于系统调用之上，也就是说库函数其实是由系统调用封装而来的，当然也不能完全这么说，原因在于有些库函数并不调用任何系统调用，譬如一些字符串处理函数 strlen()、strcat()、memcpy()、memset()、strchr()等等；而有些库函数则会使用系统调用来帮它完成实际的操作，譬如库函数 fopen 内部调用了系统调用 open()来帮它打开文件、库函数 fread()就利用了系统调用 read()来完成读文件操作、fwrite()就利用了系统调用 write()来完成写文件操作。

Linux 系统内核提供了一系列的系统调用供应用层使用，我们直接使用系统调用就可以了呀，那为何还
要设计出库函数呢？事实上，有些系统调用使用起来并不是很方便，于是就出现了 C 语言库，这些 C 语言库函数的设计是为了提供比底层系统调用更为方便、更为好用、且更具有可移植性的调用接口。
来看一看它们之间的区别：
⚫ 库函数是属于应用层，而系统调用是内核提供给应用层的编程接口，属于系统内核的一部分；
⚫ 库函数运行在用户空间，调用系统调用会由用户空间（用户态）陷入到内核空间（内核态）；
⚫ 库函数通常是有缓存的，而系统调用是无缓存的，所以在性能、效率上，库函数通常要优于系统调
用；
⚫ 可移植性：库函数相比于系统调用具有更好的可移植性，通常对于不同的操作系统，其内核向应用
层提供的系统调用往往都是不同，譬如系统调用的定义、功能、参数列表、返回值等往往都是不一样的；而对于 C 语言库函数来说，由于很多操作系统都实现了 C 语言库，C 语言库在不同的操作系统之间其接口定义几乎是一样的，所以库函数在不同操作系统之间相比于系统调用具有更好的可移植性。

以上便上它们之间一个大致的区别，从实现者的角度来看，系统调用与库函数之间有根本的区别，但从用户使用角度来看，其区别并不重要，它们都是 C 语言函数。在实际应用编程中，库函数和系统调用都会使用到，所以对于我们来说，直接把它们当做是 C 函数即可，知道你自己调用的函数是系统调用还是库函数即可，不用太过于区分它们之间的差别。所以应用编程简单点来说就是：开发 Linux 应用程序，通过调用内核提供的系统调用或使用 C 库函数来开发具有相应功能的应用程序。

三、标准 C 语言函数库

在 Linux 系 统 下 ， 使 用 的 C 语 言 库 为 GNU C 语 言 函 数 库 （ 也 叫 作 glibc ， 其 网 址 为
http://www.gnu.org/software/libc/），作为 Linux 下的标准 C 语言函数库。
进入到 http://www.gnu.org/software/libc/网址，如下所示：

点击上面的 Sources 选项可以查看它的源码实现：
glibc 源码的获取方式很简单，直接直接从 git 仓库下载，也可以通过 ftp 下载，如果大家有兴趣、或者
想要了解某一个库函数它的具体实现，那么就可以获取到它源码来进行分析。

确定 Linux 系统的 glibc 版本
前面提到过了，C 语言库是以动态库文件的形式提供的，通常存放在/lib 目录，它的命名方式通常是
libc.so.6，不过这个是一个软链接文件，它会链接到真正的库文件。
进入到 Ubuntu 系统的/lib 目录下，我使用的 Ubuntu 版本为 16.04，在我的/lib 目录下并没有发现
libc.so.6 这个文件，其实是在/lib/x86_64-linux-gnu 目录下，进入到该目录：
可以看到 libc.so.6 链接到了 libc-2.23.so 库文件，2.23 表示的就是这个 glibc 库的版本号为 2.23。除此之外，我们还可以直接运行该共享库来获取到它的信息，如下所示：

从打印信息可以看到，笔者所使用的 Ubuntu 系统对应的 glibc 版本号为 2.23。

四、main 函数

对学习过 C 语言编程的读者来说，譬如单片机编程、Windows 应用编程等，main 函数想必大家再熟悉不过了，很多编程开发都是以 main 函数作为程序的入口函数，同样在 Linux 应用程序中，main 函数也是作为应用程序的入口函数存在，main 函数的形参一般会有两种写法，如果执行应用程序无需传参，则可以写成如下形式：

1. main 函数写法之无传参

int main(void)
{
 /* 代码 */
}
1
2
3
4

2. main 函数写法之有传参

int main(int argc, char **argv)
{
 /* 代码 */
}
1
2
3
4

argc 形参表示传入参数的个数，包括应用程序自身路径和程序名，譬如运行当前目录下的 hello 可执行文件，并且传入参数，如下所示：

./hello 112233
1

那么此时参数个数为 2，并且这些参数都是作为字符串的形式传递给 main 函数:
argv[0]等于"./hello"
argv[1]等于"112233"
有传参时 main 函数的写法并不只有这一种，只是这种写法最常用。

五、开发环境

推荐大家使用 16.04 或 14.04 版本的 Ubuntu 系统，个人觉得这两个版本比较稳定；除了使用 Ubuntu 系统外，大家还可以选择其它 Linux 发行版，譬如 CentOS、Redhat（红帽）等。

在 Linux 操作系统下，也有很多比较好用的 IDE 软件，可以帮助我们更为轻松的进行软件开发，譬如
Eclipse、vscode 等，如果你会使用 Eclipse，可以在 Ubuntu 系统下安装 Eclipse 进行 Linux 应用开发，如果你不会使用 Eclipse，那就建议你使用 vscode。