一、文件I/O函数

1、open和openat

调用open或openat函数可以打开或创建一个文件。

函数原型：

int open(const char *path, int oflag, ... );
int openat(int fd, const char *path, int oflag, ... );
                    //成功则返回文件描述符，出错则返回-1

• path表示要打开或创建文件的名字；
• oflag表示文件的打开方式：O_RDONLY（只读打开）、O_WRONLY（只写打开）、W_RDWR（读写打开）、O_APPEND（追加写） …
• fd参数把open与openat两个函数区分开，openat可以指定路径名。

2、creat

调用creat函数创建一个新文件，现在基本不用了，用open函数取代，这里就不做过多介绍。

函数原型：

int creat(const char *path, mode_t mode);
                    //成功返回只写打开的文件描述符，出错返回-1

3、close

调用close函数关闭一个打开的文件，关闭文件时还会释放该进程加在改文件上的所有记录锁。

函数原型：

int close(int fd);
                    //成功返回0，出错返回-1

当一个进程终止时，内核自动关闭它所有的打开文件，很多程序都利用了这一功能而不显式地用close关闭打开文件。

4、lseek

每个打开的文件都有一个与其相关联的“当前文件偏移量”，通常，读、写操作都从该偏移量处开始，并使偏移量增加所读写的字节数。除非指定O_APPEND选项，否则默认打开一个文件的偏移量是0，也可以用lseek显式地为一个打开文件设置偏移量。
注意：lseek函数只修改当前文件偏移量，不进行任何I/O操作。

函数原型：

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
                    //成功则返回新的文件偏移量，出错则返回-1

• 若whence是SEEK_SET，则设置偏移量为距文件开头offset个字节；
• 若whence是SEEK_CUR，则设置偏移量为当前值加上offset，offset可正可负；
• 若whence是SEEK_END，则设置偏移量为文件长度加上offset，offset可正可负。

5、read

调用read函数从打开文件中读数据。

函数原型：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);
                    //返回读到的字节数，若已到文件尾返回0，出错返回-1

• buf通常指向一个字符数组，表示为char buf[BUFFSIZE]；
• nbytes表示buf所指字符数组的大小。

6、write

调用write函数向打开文件写数据。

函数原型：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);
                    //成功则返回已写的字节数，出错返回-1

• 参数同read。

7、UNIX内核用于所有I/O的数据结构

UNIX系统支持在不同进程间共享打开文件，内核使用三种数据结构表示打开文件:

（1）每个进程在进程表中都有一个记录项，记录项中包含一张打开文件描述符表，每个描述符占用一项，每项有两个元素：

• 文件描述符标志；
• 指向一个文件表项的指针。

（2）内核为所有打开文件维持一张文件表，每个表项包含：

• 文件状态标志（读、写、同步、非阻塞等）；
• 当前文件偏移量；
• 指向该文件v节点表项的指针。

（3）每个打开文件都有一个v节点结构，包含了文件类型和对此文件进行各种操作函数的指针，还包含了i节点。这些信息是在打开文件时从磁盘上读入内存的，i节点包含了文件的所有者、文件长度、指向文件实际数据块在磁盘上所在位置的指针等。
注：Linux没有使用v节点，而是使用了通用的i节点结构。

如上图所示，我们假定第一个进程在文件描述符3上打开该文件，而另一个进程在文件描述符4上打开该文件。打开该文件的每个进程都获得各自的一个文件表项，但对一个给定的文件只有一个v节点表项。之所以每个进程都获得自己的文件表项，是因为这可以使每个进程都有它自己对该文件的当前偏移量。

8、dup和dup2

调用dup或dup2可以用来复制一个现有的文件描述符。

函数原型：

int dup(int fd);
int dup2(in fd, int fd2);
                    //成功返回新的文件描述符，出错返回-1

• 由dup返回的新文件描述符一定是当前可用文件描述符中的最小数值；
• dup2可用fd2参数指定新描述符的值。

9、sync、fsync和fdatasync

当我们向文件写入数据时，内核通常先将数据复制到缓冲区中，然后排入队列，晚些时候再写入磁盘，这种方式被称为延迟写。调用sync函数可以用来冲洗（flush）内核的块缓冲区。

函数原型：

void sync(void);
int fsync(int fd);
int fdatasync(int fd);
                    //成功返回0，出错返回-1

• sync只是将所有修改过的块缓冲区排入写队列，然后返回，并不等待实际写磁盘操作结束；
• fsync只对fd指定一个的文件起作用，并等待写磁盘操作结束才返回；
• fdatasync除了更新文件的数据外，还会同步更新文件的属性。

10、fcntl

fcntl函数可以改变已经打开文件的属性，这个函数十分复杂，这里只做简单概括。

函数原型：

int fcntl(int fd, int cmd, ... );
                    //成功返回依赖于cmd，出错返回-1

该函数有以下五个功能：

• 复制一个已有的描述符（cmd = F_DUPFD 或 F_DUPFD_CLOEXEC）；
• 获取/设置文件描述符标志（cmd = F_GETFD 或 F_SETFD）；
• 获取/设置文件状态标志（cmd = F_GEETFL 或 F_SETFL）；
• 获取/设置异步I/O所有权（cmd = F_GETOWN 或 F_SETOWN）；
• 获取/设置记录锁（cmd = F_GETLK 、 F_SETLK 或 F_SETLKW）。

二、进程控制相关函数

1、fork

函数原型：

pid_t fork(void);   //创建一个新线程
                    //在子进程中返回0，在父进程中返回子进程ID，出错返回-1

在调用fork()函数后，会得到一个子进程，子进程的地址空间是基于父进程的地址空间拷贝出来的，父子进程各自的虚拟地址空间是相互独立的，不会互相干扰和影响。拷贝完成后的这个时间点，两个地址空间中的用户区数据（内存四区[代码区、全局区、堆区、栈区]、文件描述符、环境变量）是相同的，不同的地方有：

• 父子进程的进程ID不同；
• 子进程不继承父进程设置的文件锁；
• 子进程的未处理闹钟被清除；
• 子进程的未决信号集设置为空集。

写时复制(Copy On Write)是什么？

在调用fork()后，父子进程要共享程序文本和数据，所有映射了两个进程的数据页都是只读的。但只要有一个进程更新了一点数据，就会触发只读保护（异常），并引发操作系统陷阱，然后生成一个该页的副本，这样每个进程都有自己的专属副本后就可以进行写操作了，这也意味着那些从来不会执行写操作的页面是不需要复制的。这种方法称为写时复制，它通过减少复制而提高了性能。现在的fork实现都是用了写时复制技术来提升效率，但vfork的完全不复制还是比fork的这种部分复制要快一些。

PCB（进程控制块）里有什么？

进程id，进程状态（就绪、运行、阻塞），当前工作目录，umask掩码，文件描述符，未决信号集（记录在当前进程中产生的哪些信号还没有被处理掉），用户id和组id。

2、vfork

vfork函数用于创建一个新进程，而该新进程的目的是执行一个新程序，它不会将父进程的地址空间完全复制到子进程中，因为子进程会立即调用exec（或exit）。
函数原型：

pid_t vfork()       //创建一个新进程
                    //在子进程中返回0，在父进程中返回子进程ID，出错返回-1

vfork会保证子进程先运行，在它调用exec或exit之后父进程才可能被调度运行，当子进程调用这两个函数中任意一个时，父进程会恢复运行。
fork()与vfork()区别：

• fork()后子进程拷贝父进程的数据段、堆栈段，但共享正文段；vfork()后的子进程在调用exec或exit之前都在父进程的空间内运行，没有拷贝操作；
• fork()后子进程对变量进行修改不会影响的父进程的变量，因为触发了写时复制，vfork()后子进程对变量进行修改会影响父进程，因为它就是在父进程的地址空间中运行的；
• fork()父子进程的执行次序不确定，vfork()保证子进程先运行，且在子进程调用exec或_exit之后父进程才会被调度运行。

3、exec族函数

函数原型：

int execl (const cahr *pathname, const char *arg0, ... );
int execv (const char *pathname, char *const *argv[]);
int execlv(const char *pathname, const char *arg0, ... );
int execve(const char *pathname, char *const argv[], char *const envp[]);
int execlp(const char *filename, const char *arg0, ... );
int execvp(const char *filename, char *const argv[]);
                    //成功则不返回，出错则返回-1

一个进程先调用fork创建一个自身的副本，然后其中一个副本（通常为子进程）调用exec把自身替换成新的程序。比如硬盘上有一个可执行程序文件，在调用exec后，exec会把当前进程映像替换成新的程序文件，而且该新程序通常从main函数开始执行。因为调用exec并不创建新进程，所以前后的进程ID不改变，exec只是用磁盘上的一个新程序替换了当前进程的正文段、数据段、堆段和栈段。我们称调用exec的进程为调用进程，称新执行的程序为新程序。这六个函数的区别在于：

• 待执行的程序文件是由文件名还是由路径名指定；
• 新程序的参数是一一列出还是由一个指针数组来引用；
• 把调用进程的环境传递给新程序还是给新程序指定新的环境。

这六个函数的关系如下图所示，只有execve是内核中的系统调用，其他5个都是调用execve的库函数。

要理解fork与execve，需要先理解程序与进程：

程序是一堆代码和数据，可以作为目标文件存在于磁盘上，或者作为段存在于地址空间中。进程是程序执行中的一个具体的实例，程序总是运行在某个进程的上下文中。fork函数在新的子进程中运行相同的程序，新的子进程是父进程的一个复制品；execve函数在当前进程的上下文中加载并运行一个新的程序，它会覆盖当前进程的地址空间，但并没有创建一个新进程，新的程序仍然有相同的PID，并且继承了调用execve函数时已经打开的所有文件描述符。

4、exit与_exit

而exit的作用就是结束，清理，就是说先检查缓冲区，把没有写入的数据写入到文件，然后调用_exit关闭文件。而_exit是立刻关闭文件，文件缓冲区的内容也就消失了，这个时候就不可能再输出到显示设备了。
注意：_exit函数由exit调用。

5、wait和waitpid

调用wait或waitpid时，会出现以下情况：

• 如果该进程其所有子进程都还在运行，则阻塞；
• 如果一个子进程已终止，正等待父进程获取其终止状态，则取得该子进程的终止状态立即返回；
• 如果它没有任何子进程，则立即出错返回。

函数原型：

pid_t wait(int *statloc);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options);
                    //成功返回进程ID，出错返回0或-1

• statloc指向终止进程的终止状态，若不关心可设置为空；
• pid可以实现等待一个指定的进程终止；
• option可以支持作业控制。

wait和waitpid的区别：

• waitpid可等待一个特定进程，而wait则返回任一终止进程的状态；
• waitpid提供了一个wait的非阻塞版本，有时希望获取一个子进程的状态，但不想阻塞；
• waitpid的option选项支持作业控制。

6、getpid和getppid

getpid可以获得当前进程ID，getppid可以获得当前进程的父进程ID。

三、线程控制相关函数

1、pthread_cread

函数原型：

int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_atr_t * restrict addt,
                    void *(*start_rtn)(void *), void *restrict arg);
                    //成功返回0，出错返回错误编号

• 新创建的线程ID会被设置成tidp指向的内存单元；
• attr参数用于定制各种不同的线程属性；
• 第3个参数是函数指针，新创建的线程从start_rtn函数的地址开始运行；
• arg为要传入的函数参数，是一个指向结构体的指针。

2、pthread_exit

如果进程中任意线程调用了pthread_exit，那么整个进程就会终止。

函数原型：

void pthread_exit(void *rval_ptr);

3、pthread_join

调用线程将一直阻塞，直到指定的线程调用pthread_exit、从启动例程中返回或者被取消。

函数原型：

int pthread_join(pthread_t thread, void **rval_ptr);
                    //成功返回0，出错返回错误编号

• thread表示要等待退出的线程ID；
• rval_ptr包含线程退出的返回码。

当一个线程退出时，进程中的其他线程可以通过调用pthread_join函数获得该线程的退出状态。

4、pthread_cancel

线程可以通过调用pthreead_cancel函数来请求取消同一进程中的其他线程。

函数原型：

int pthread_cancel(pthread_t tid);
                    //成功返回0，出错返回错误编号

注意：pthread_cancel并不等待线程终止，它仅仅提出请求。

5、pthread_detach

如果对现有的某个线程的终止状态不感兴趣的话，可以调用pthread_detach函数让操作系统在线程退出时收回它所占用的资源，且在分离后我们不能用pthread_join函数等待它的终止状态。

函数原型：

int pthread_detach(pthread_t tid);
                    //成功返回0，出错返回错误编号

6、pthread_self

函数原型：

pthread_t pthread_selt(void);
                    //返回调用线程的线程ID