实验二 Linux编程基础
一、实验目的
熟悉Linux下使用C语言编程的方法，通过在编程中使用进程控制系统调用功能，直观理解Linux下进程并发执行情况。
二、实验题目
使用vi编辑C语言源程序；分析例子程序并通过man命令熟悉相关系统调用，编写进程并发执行的程序；使用gcc、make等工具进行编译；执行编译生成的执行文件并分析结果。
三、背景材料
因实验用的Linux环境以字符界面为主，而Linux的字符界面并没有广泛使用的集成开发环境，经典的C语言开发模式还是使用文本编辑软件编写源程序，然后使用gcc和make工具进行编译链接，生成可执行文件。在编辑源程序环节，可以使用不同的文本编辑工具，例如在图形用户界面下可以使用gedit或者kedit；字符界面下可以使用vi、emacs、nano等编辑器；甚至可以在其它环境下编辑，然后通过ftp上传。
（一）编辑器vi的使用
vi或vim是Linux系统上经典的文本编辑工具，在字符界面下，广泛用于系统管理、程序开发。本实验要求熟悉vi基本操作，可以使用vi进行文本编辑。 1、调用vi
最常用的命令模式是：vi filename 2、vi的三种模式
Command（命令）模式，用于输入命令； Insert（插入）模式，用于插入文本；
Visual（可视）模式，用于可视化的的高亮并选定正文。 3、文件的保存和退出
Command模式是vi的默认模式，如果处于其它模式时，要通过ESC键切换过来，接着再输入:号时，vi会在屏幕的最下方等待输入命令；
:w 保存； :w filename 另存为filename； :wq! 保存退出； :wq! filename 注：以filename为文件名保存后退出； :q! 不保存退出； :x 应该是保存并退出 ，功能和:wq!相同 4、光标移动；
按ESC进入Command模式后，可以用下面的一些键位来移动光标；
j 向下移动一行； k 向上移动一行； h 向左移动一个字符； l 向右移动一个字符； ctrl+b 向上移动一屏； ctrl+f 向下移动一屏； 向上箭头 向上移动； 向下箭头 向下移动； 向左箭头 向左移动； 向右箭头 向右移动； 对于 j、k、l和h键，还能在这些命令的前面加上数字，比如 3j，表示向下移动3行。 5、进入插入模式 i 在光标之前插入； a 在光标之后插入； I 在光标所在行的行首插入； A 在光标所在行的行末插入； o 在光标所在的行的上面插入一行； O 在光标所在的行的下面插入一行； s 删除光标后的一个字符，然后进入插入模式； S 删除光标所在的行，然后进入插入模式； 6、文本内容的删除 x 删除一个字符； #x 删除几个字符，#表示数字，比如3x； dw 删除一个单词； #dw 删除几个单词，#用数字表示，比如3dw表示删除三个单词； dd 删除一行； #dd 删除多个行，#代表数字，比如3dd 表示删除光标行及光标的下两行； d$ 删除光标到行尾的内容； J 清除光标所处的行与上一行之间的空格，把光标行和上一行接在一起； 7、可视模式
在最新的Linux发行版本中，vi提供了可视模式。按ESC键，然后按v就进入可视模式； 退出可视模式，还是用ESC键。可视模式提供了友好的选取文本范围，以高亮显示。 8、复制和粘帖的操作
复制：对于可视模式下选中的文本，可以按y进行复制；按yy可以复制当前光标所在行。此外，删除也带有剪切的意思，当我们删除文字时，相应内容会自动复制；
粘贴：可以把光标移动到某处，然后按p或shift+p键进行粘贴，其中，p 在光标之后粘帖；shift+p 在光标之前粘帖。 9、行号
可以在命令模式输入 :set number 来打开行号显示，输入 :set number 来关闭行号显示。 10、查找功能
在命令模式下，输入/或?就可以进行查找；
/SEARCH 注：正向查找，按n键把光标移动到下一个符合条件的地方； ?SEARCH 注：反向查找，按shift+n 键，把光标移动到下一个符合条件的 11、替换功能
按ESC键进入命令模式； :s /SEARCH/REPLACE/g 注：把当前光标所处的行中的SEARCH单词，替换成REPLACE，并把所有SEARCH高亮显示； :%s /SEARCH/REPLACE 注：把文档中所有SEARCH替换成REPLACE； :#,# s /SEARCH/REPLACE/g 注：＃号表示数字，表示从多少行到多少行，把SEARCH替换成REPLACE； 注：命令中g表示全局查找，在指定的替换范围之外，也会把SEARCH高亮显示。
（二）gcc和make的使用
Linux下编辑好的C语言程序，需要使用gcc编译工具(Linux系统上一般也可以通过cc别名调用)进行编译连接，生成可执行文件。对于复杂的应用，可能把多个源程序分别编译，最后连接形成执行文件；为了有效管理这类项目，make代码维护工具可以用来定义一系列规则来管理编译连接过程。
【注】Linux下的可执行文件没有特别的后缀名约定，而是通过设置“可执行”属性来区分；另外，Linux默认的执行文件搜索路径也不包括当前目录，所以编译生成的执行文件需要显示指明文件路径来执行。 1、gcc的使用 (1) 简单使用方法
假设一个C语言源程序名为demo.c，根据该文件生成执行文件的最简单命令为： gcc hello.c
该命令将生成默认名字为a.out的执行文件；如果希望生成执行文件的名字不同，可以在命令中通过参数指定：
gcc -o hello hello.c
该命令将生成名字为demo的执行文件。 (2) 分解使用
实际上，gcc所做的工作包括预编译、编译、连接等多个环节，上述简单用法隐含了对这几个环节的调用，如果需要分开调用，可以通过不同的命令行参数指定：
gcc -E hello.c -o hello.i -E参数指定进行预编译，预处理的宏定义插入到hello.i中； gcc -c hello.i -o hello.o -c参数指定编译为目标代码 hello.o，也可以通过源文件直接生成(gcc -c hello.c)；
gcc hello.o -o hello 将生成可执行文件，如果由多个源程序文件生成，一般需要在生成时指定多个目标代码模块，例如：gcc hello.o e1.o s2.o -o hello (3) 常用参数
gcc命令行的常用参数如下：
-c 通知GCC取消链接步骤，即编译源码并在最后生成目标文件； -Dmacro 定义指定的宏，使它能够通过源码中的#ifdef进行检验； -E 不经过编译预处理程序的输出而输送至标准输出；
-g3 获得有关调试程序的详细信息，它不能与-o选项联合使用； -Idirectory 在包含文件搜索路径的起点处添加指定目录；
-llibrary 提示链接程序在创建最终可执行文件时包含指定的库； -O、-O2、-O3 将优化状态打开，该选项不能与-g选项联合使用；
-S 要求编译程序生成来自源代码的汇编程序输出； -v 启动所有警报；
-Wall 在发生警报时取消编译操作，即将警报看作是错误； -Werror 在发生警报时取消编译操作，即把报警当作是错误； -w 禁止所有的报警。 2、make的使用 (1) make工具简介
make是一种代码维护工具，在大中型项目中，根据程序各个模块的更新情况，自动的维护和生成目标。能很好的做到“不多、不重、不漏”：
不多：只更新那些需要更新的文件，而不动那些并不过时的东西；
不重：是指当make对某个文件进行更新时，即使有很多文件过时，也将只更新一
次；
不漏：是指他不会漏下任何应该更新的文件。
make在使用时有一系列的规则，将根据这些规则来解释其配置脚本，以达到设计目的。配置脚本的缺省名是makefile或Makefile，也可在命令行指定其它文件名。使用形式为：
make [option] [macrodef] [target]
option指出make的工作行为，具体参数可参考man手册页。 (2) makefile文件编写
make工具使用的关键是编写高效、简洁、正确的makefile，这需要学习和实践。虽然make工具的使用有较高的门槛，但是一旦掌握，其带来的灵活和便捷远远超过一般IDE所能提供的管理功能。
实际makefile文件编写涉及的知识很多，有专著专门最次讲解。此处只是介绍概貌，借助一个简单的例子来说明：假设一个项目hello，依赖于hello.o、e1.o、e2.o，而hello.o依赖于hello.c、hello.h，e1.o依赖于e1.c、hello.h，e2.o依赖于e2.c；这样形成一棵依赖关系树，父节点依赖于子节点。使用make进行维护时，会对这棵树进行一次遍历，如果发现子节点形成的时间晚于父节点形成的时间便开始调用makefile中指定的命令进行维护。针对此例子的makefile示例如下：
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放置在与项目源程序文件相同目录中，在该目录中执行make hello或者make命令(命令行未target时会默认使用makefile的第一个target)，将会根据makefile中定义的依赖关系依次执行编译、连接各个命令，生成hello执行文件。
实际项目的makefile因为会使用大量的宏、条件变量以及缺省规则，对初学者而言较难理解。对于一般的开源项目，在编写makefile时，target的命名都会遵循一些预定俗称的规则，常见的用法包括：
make all 编译项目中所有实际目标 make install 进行安装
make clean 清除所有中间文件
(3) 缺省规则和简单用法
make的缺省规则是系统或者自定义的一些规则，在定义时不指出全名，而是根据文件扩展名定义一类依赖关系和相关命令。例如，与c语言相关的缺省规则包括：
.c: $(CC) $(FLAGS) -o $@ $< .c .o: $(CC) $(FLAGS) -c $@ $<
两条规则的含义为：对于.c扩展名的文件，调用编译器(通过环境变量CC定义，默认为gcc)生成与.c文件对应名字的执行文件；对于.o、.c扩展名配对的情况，调用编译器进行编译，生成与.c文件对应名字的.o目标文件。
根据这些缺省规则，可以在简单情况下不编写makefile使用make工具。例如，对于根据hello.c生成hello执行文件的情况，可以直接使用命令
make hello
效果等同于：gcc -o hello hello.c
（三）需要用到的系统调用
实验要求在例子程序基础上编程验证Linux下进程并发情况，需要用到的系统调用和库函数在下面列出，详细的使用方法说明通过“man 2 系统调用名”或者“man 3 函数名”命令获取。
fork() 创建一个子进程，通过返回值区分是在父进程还是子进程中执行； wait() 等待子进程执行完成； sleep() 导致调用进程睡眠指定秒数； getpid() 获取当前进程id； getppid() 获取父进程id。
四、实验内容
为便于掌握Linux环境下进行C语言编程的基本技能，本实验提供源程序例子，实验内容要在给出的例子程序基础上，根据要求进行修改，对执行结果进行分析。 1、子进程对存储空间的复制 (1) 使用文本编辑器输入源程序
输入如下源程序：
#include #include #include int main(void) {
int x, i;
printf(\"Input a initial value for i: \"); scanf(\"%d\
while((x=fork())==-1); if(x==0) /* child run */ {
printf(\"When child runs, i=%d\\n\ printf(\"Input a value in child: \"); scanf(\"%d\ printf(\"i=%d\\n\ } else /* parent run */ {
wait();
printf(\"After child runs, in parent, i=%d\\n\ } }
(2) 预测程序的执行结果
阅读程序，根据自己的理解，预期程序执行后的结果。 (3) 实际执行结果分析
编译生成执行文件，执行后记录结果，说明与预期的结果是否一致。分析为什么是这样的结果。
2、父子进程执行过程分析 (1) 按照给定框架编程
按照如下程序框架，完成源程序编写：
// ①
pid=fork(); // ② if(pid==0) {
sleep(3);
printf(\"Child: pid=%d, ppid=%d\\n\ }
else {
printf(\"Parent: Child=%d, pid=%d, ppid=%d\\n\ wait();
printf(\"After Child ends.\\n\"); }
printf(\"In which process?\\n\"); // ③
(2) 预测程序的执行结果
阅读程序，根据自己的理解，预期程序执行后的结果。 (3) 实际执行结果分析
编译生成执行文件，执行后记录结果，说明与预期的结果是否一致。分析为什么是这样的结果。
(4) 修改程序并分析执行结果
把程序框架中最后一句输出语句（位置③处）分别移至位置①和②处，预期输出结果是什么？实际执行结果如何？分析原因。 (5) 修改程序验证父子进程关系
修改程序，使父进程先执行完成，验证子进程是否会一起终止？如果不是，前后子进程的父进程号是否变化？记录并分析结果。
五、实验报告书写要求
应在实验报告中说明如下事项： 1、所使用的文本编辑器； 2、编译生成执行文件的命令；
3、相关程序的名称及存储位置，以便指导教师抽查；
4、实验内容1的结果：包括预期结果和实际执行结果，以及结果分析；
5、实验内容2的结果：包括预期结果和实际执行结果，对结果的分析；按照要求进行修改后的预期结果、实际结果及分析。
