Chapter 8：C Programming in Unix

Review on C Basics

基本编程特性（Basic programming features）
- 变量/运算符/表达式（variables, operators, expressions）
- 流程控制（flow control：loop, branch, …）
- 函数（functions）
C 的范围（What C does NOT provide）
- C 不直接提供高级特性（advanced features），例如 OS services、I/O
- 这些能力通常由库（libraries）实现

Learning More of C Programming

建议练习（Try do the following）
- 理解 编译器和链接器做什么（what compiler and linker do）
- 调试程序，并查看汇编代码（debug + assembly code）
- 了解一些你的 CPU（know something of your CPU）
关键概念（Some key concepts）
- 数据表示（Data representation）
- 变量存储（Variable storage）
- 字符串处理（Character string manipulation）
- 指针（Pointer）
- 内存管理（Memory management）
- 函数调用过程（Function calling procedure）
学习收益（Why helpful）
- 有助于理解更高级语言（如 C++、Python 等）的特性设计（feature designs in higher level languages）

数据表示｜ Data Representation

基本类型及大小/范围｜ Basic types: size/range
- void：0 bytes，无值（0 bytes, no value）
- char：1 byte，-128～127（或 0～255）
- short：2 bytes，-32767～32767
- int：2 / 4 / 8 bytes（对应 16/32/64-bit machines）
- long：4 bytes，约 ±2,147,483,648
- float：4 bytes，约 ±3.4 × 10^±38
- double：8 bytes，约 ±1.79 × 10^±308
指针与字符串｜ Pointers & strings
- char*：指向连续的字符字节，以 \0 结尾（C 字符串）
- void* / int* / …：指针长度取决于机器硬件（pointer length depends on machine hardware）
复合类型｜ Composite types
- structure / union / class：包含数据成员的内存块（memory block containing data members）
查看大小｜ Size query
- sizeof()：获取类型/对象所占字节数（find the size）

C 变量类型｜ C Variable Types

局部变量｜ Local variables
- 在函数体内部声明（declared within the body of a function）
- 只能在该函数内使用（only be used within that function）
全局变量｜ Global variables
- 在所有函数之外声明（located outside any of the program’s functions）
- 所有函数都可访问（available to all functions）
静态变量｜ Static variables
- 在函数内声明：在该函数内使用（declared in a function, used in this function）
- 在函数外声明：在该文件内使用（declared outside functions, used in this file）
存储位置与生命周期｜ Storage & lifetime
- 局部变量：存放在 栈（stack）
  - 临时的（temporal）
  - 初始值可能是随机的（initial values in random）
- 全局/静态变量：存放在 数据段（data segment）
  - 生命周期与程序一样长（life as long as the program）
  - 初始值通常为 0（initial value usually be 0），但仍需小心（should be careful）

字符串操作｜ Character String Manipulation

字符串函数｜ String functions
- strcpy / strncpy：字符串拷贝（copy）
- strcat / strncat：字符串拼接（concatenate）
- strcmp / strncmp / strcasecmp / strncasecmp：字符串比较（compare，后两者忽略大小写）
- strtok：字符串分割/分词（tokenize）
- strlen：字符串长度（length）
字符串指针｜ String pointer
- char *str;
  - str 是指针，指向内存中字符字节块的起始字节（pointer to the beginning byte of the character byte block in memory）

没 n：拷完整字符串（含 \0），但可能越界写

有 n：限制最多拷 n 字节，但可能不带 \0，需要你自己确保终止符

什么什么ELF格式？

字符串内存示意｜ Character String Manipulation (memory example)

数组字符串与结尾符｜ Char array string & \0
- char str[8] = "HELLO";：内存里依次是 H E L L O \0，后面还有空余字节
- char str1[8] = "WORLD!";：内存里依次是 W O R L D ! \0
指针与偏移｜ Pointer & offset
- char *str2 = str + 2;
  - str 指向 str[0]（即 'H' 的地址）
  - str2 指向 str[2]（即 "HELLO" 里的第一个 'L'）
- printf("%s, %d, %d\n", str2, strlen(str), strlen(str2));
  - %s 从 str2 开始一直打印到遇到 \0：输出 "LLO"
  - strlen(str)：5
  - strlen(str2)：3
几种常见操作可能造成的结果｜ Effects of operations
- strcpy(str, str1);
  - 把 "WORLD!"（含 \0）拷进 str，会覆盖原来的 "HELLO"
- strcat(str2, str1);
  - 从 str2 指向的位置开始把 str1 拼接上去
  - 风险：str2 指向的是 str 的中间位置，剩余空间很小，容易越界/覆盖后续内存
- strncpy(str, str1, strlen(str1));
  - 这里 strlen(str1)=6，只拷 6 个字节（WORLD!），不会自动补 \0
  - 结果：str 可能变成非 \0 结尾的“字符串”，后续 printf("%s")/strlen 可能越界读

指针与字节序｜ Pointer & Endianness

指针的定义｜ What is a pointer
- 指针是一个变量，保存某个变量/函数的地址（a variable containing the address of a variable/function）
- 形式示例（课件给的写法）：type *ptr，函数指针 type *(ptr)();
地址在内存里的表示｜ How an address is stored
- 例子地址：0xa8906654（按字节可看作：a8 90 66 54）
- 大端（Big Endian / Motorola order）：高位字节在低地址
  - 内存顺序：a8 90 66 54
- 小端（Little Endian / Intel order）：低位字节在低地址
  - 内存顺序：54 66 90 a8

典型内存布局｜ Typical Memory Layout

智云课堂再看一遍？

从低地址到高地址的大致分区｜ Segments (low → high)
- text 段（code & constants, read only）
  - 存放：代码、常量（例如字符串常量 "string"、函数 f）
- data 段（read/write）
  - initialized：已初始化的全局/静态变量（图中例：p, i）
  - uninitialized（BSS）：未初始化的全局/静态变量（图中例：a, v），通常初始化为 0
- heap 堆（dynamic memory allocation）
  - 动态分配内存区域
- stack 栈（caller info, return address, local variables）
  - 调用信息、返回地址、局部变量（图中例：x, y, c）
- 顶部还有：命令行参数、环境变量（command-line arguments, environment variables）
增长方向｜ Growth direction
- 堆（heap）向高地址增长
- 栈（stack）向低地址增长

动态数组｜ Dynamic Array

一维动态数组（未初始化）｜ One-dimensional dynamic array (un-initialized)
- int *vector;
- vector = (int*) malloc(sizeof(int) * NUM);
  - 分配 NUM 个 int 的空间
  - 内容不初始化（un-initialized）
- 失败处理：
  - fprintf(stderr, "Not enough memory\n");
  - exit(1);
一维动态数组（初始化为 0）｜ Array initialized to 0
- int *vector;
- vector = (int*) calloc(num, sizeof(int));
  - 分配 num 个 int
  - 内存初始化为 0（initialized to 0）
- 失败处理同上（Not enough memory / exit(1)）
二维动态数组（连续内存）｜ Two-Dimensional dynamic array (contiguous block)
- int *matrix;
- matrix = (int*) calloc(ROWS * COLS, sizeof(int));
  - 实际分配的是 一整块连续的一维内存，总元素数 ROWS*COLS
  - 初始值为 0（each set to 0）
- 访问 (i, j) 元素：
  - matrix[i * COLS + j] = 24;（access element (i,j)）
二维动态数组（指针数组）｜ Pointer array (slower but convenient)
- 说明：Pointer array, slower but convenient
- int **matrix, i;
- 先分配“行指针数组”：
  - matrix = (int**) calloc(ROWS, sizeof(int*));
- 再逐行分配每一行：
  - for (i = 0; i < ROWS; i++)
    - matrix[i] = (int*) calloc(COLS, sizeof(int));
- 每次分配都要检查 NULL，并在失败时：
  - fprintf(stderr, "Not enough memory\n"); exit(1);

函数参数传递｜ Passing Function Arguments

函数调用形式｜ Call form
- 函数定义示例：int func(int arg0, char* arg2, long arg3, float *arg4)
- 调用示例：r = func(a, b, c, d, e);
- 重点：调用时传入的实参 a,b,c,d,e 会对应到形参 arg0,...
两种主要传参位置｜ Where arguments go
- 栈（Stack）传参
  - 参数被压入栈中（图左：a b c d e 依次放在栈里）
  - 通过 栈指针（stack pointer） 定位这些参数
- 寄存器（Registers）传参
  - 参数直接放进寄存器（图右：a b c d e 放在 %o0 ~ %o4）
  - 寄存器传参通常更快（少访存）
返回值位置｜ Return value
- 返回值放在特定寄存器里：
  - 例：eAX（x86）或 %o0（图里写的寄存器）
- 调用结束后，调用方从该寄存器取回结果赋给 r
图的核心想表达的点｜ Key takeaway
- 同一个函数调用，参数既可能走 stack，也可能走 registers
- 具体用哪种、以及先用多少个寄存器，取决于平台/ABI/编译器约定

标准与底层 I/O ｜ Standard and Low-Level I/O

整体分层｜ Overall layers
- 应用程序｜ Application program
- 标准 I/O 库（高层 I/O，流）｜ Standard I/O library (high level I/O, streams)
- UNIX 内核｜ UNIX kernel
高层 I/O（流）｜ High level I/O (streams)
- 应用通过 Standard I/O library 做 I/O（比如“流”的概念：文本/缓冲/格式化等）
- 特点：更方便、更抽象，通常带缓冲、格式化（例如 printf 这类）
底层 I/O（文件描述符）｜ Low level I/O (file descriptors)
- 标准 I/O 库的底层最终会调用 UNIX kernel 提供的系统调用接口
- 使用 file descriptors（文件描述符） 来标识打开的文件/设备/管道等
- 特点：更接近 OS，粒度更底层，控制更直接（但用起来更“硬核”）
两条路径｜ Two paths shown in the figure
- 常见路径：应用 → 标准 I/O 库 → 内核
  - 图中蓝色箭头：应用与标准库交互（streams）
  - 红色箭头：标准库再向下调用内核（file descriptors）
- 直接路径：应用 → 内核（系统调用）
  - 图左侧长红箭头：应用也可以跳过标准库，直接做 low level I/O（file descriptors / syscalls）

流 I/O 与底层 I/O ｜ Stream I/O vs. Low-Level I/O

整体关系（从应用到内核）｜ Overall relationship
- 应用程序（Application program）
  - 可以用两条路做 I/O：
    - 高层 I/O：流（streams）
    - 底层 I/O：系统调用（syscalls）
- 标准 I/O 库（Standard I/O library, stdio）
  - 提供 Stream I/O（流 I/O）：带缓冲、带格式化（printf/scanf 风格）
  - 底层会调用内核的 Low-level I/O（open/read/write 等）
- UNIX 内核（UNIX kernel）
  - 提供 Low-level I/O（file descriptors）：最原始、最贴近 OS 的接口
Stream I/O（流 I/O）特点｜ Stream I/O features
- 句柄类型：FILE *（比如 stdin/stdout）
- 常见优点：
  - 缓冲（buffering）：减少系统调用次数
  - 格式化 I/O：fprintf/fscanf 更方便
- 典型函数（slide 上这些）：
  - FILE *fopen(char *pathname, char *type)
  - int fflush(FILE *fp)
  - int fprintf(FILE *fp, char *format, ...)
  - int fscanf(FILE *fp, char *format, ...)
  - int fgetc(FILE *fp)
  - int fputc(int c, FILE *fp)
  - int fputs(char *s, FILE *fp)
  - char *fgets(char *s, int n, FILE *fp)
  - size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nobj, FILE *fp)
  - size_t fwrite(void *ptr, size_t size, size_t nobj, FILE *fp)
  - long ftell(FILE *fp)
  - int fseek(FILE *fp, long offset, int placement)
Low-Level I/O（底层 I/O）特点｜ Low-level I/O features
- 句柄类型：文件描述符 int fd
- 常见优点：
  - 更贴近 OS、行为更“直接”
  - 适合做：管道/重定向、非阻塞、select/poll/epoll、更细粒度控制等
- 典型函数（slide 上这些）：
  - int open(char *path, int oflag, .../* mode_t m */)
  - int close(int fd)
  - off_t lseek(int fd, off_t offset, int placement)
  - ssize_t read(int fd, void *buff, size_t nbytes)
  - ssize_t write(int fd, void *buff, size_t nbytes)
图里那张“表”在讲什么｜ What the table diagram means
- process table entry（进程表项）：每个进程有自己的 fd 表（fd 0, fd 1, ...），每个 fd 指向一个内核对象
- file table（文件表）：记录
  - 文件状态标志（file status flags）
  - 当前文件偏移（current file offset）
  - 指向 v-node
- v-node table（v-node / inode 信息）：记录
  - v-node / i-node 信息
  - 当前文件大小等
- 关键含义：
  - 不同进程可以“共享”同一个 file table entry（因此可能共享同一个 file offset）
  - 这就是为什么 fork() 后父子进程对同一打开文件的读写，会互相影响偏移量（常见考点）

Unix 系统调用｜ Unix System Calls

显示系统错误（Show system errors）
- perror()
  - 用来输出最近一次系统调用失败对应的错误信息（通常基于 errno）
文件系统调用（File system calls）
- 基础文件 I/O
  - open(), lseek(), read(), write(), close()
- 目录与权限/属性
  - chdir(), chroot(), chown(), chmod(), stat(), fstat()
- 挂载与链接
  - mount(), umount(), link(), unlink()
- 管道/设备/复制 fd
  - pipe(), mknod(), dup()
进程控制调用（Process control calls）
- 创建/执行/结束
  - fork(), execve(), exit()
- 等待与信号
  - wait(), kill(), signal(), pause(), alarm()
- 调度与休眠
  - sleep(), nice()
- 用户/组/进程组
  - setuid(), setgid(), setpgrp()
- 时间相关
  - time(), stime(), times()

看一下demo_str.c 和 demo_fork.c

ps -ef | grep xeye查看进程关系

demo_socket_client /server

进程间通信 IPC ｜ Inter-Process Communication (IPC)

管道（Pipe）
- 典型接口：pipe(), mkfifo(), read(), write()
- 含义：用“字节流”在进程间传数据
  - pipe()：匿名管道（常用于父子进程）
  - mkfifo()：命名管道 FIFO（无亲缘关系进程也可用）
  - read()/write()：读写数据
中断与信号（Interrupt and signal）
- 典型接口：kill(), sigaction(), sigqueue(), sigwait()…
- 含义：用信号做“通知/控制”（更像事件，不适合传大数据）
  - kill()：发送信号（不一定是“杀死”，取决于信号类型）
  - sigaction()：设置信号处理方式
  - sigqueue()：带少量数据的排队信号
  - sigwait()：同步等待某个信号到来
消息队列（Message queue）
- 典型接口：mq_open(), mq_send(), mq_close()…
- 含义：内核维护的“消息盒子”，按消息为单位收发（可带优先级等）
信号量（Semaphore）
- 典型接口：sem_open(), sem_wait(), sem_post(), sem_close(), sem_unlink()
- 含义：用于同步/互斥（控制谁先做、一次允许几个进程进入），通常配合共享资源使用
  - sem_wait()：P 操作（资源-1，不够就阻塞）
  - sem_post()：V 操作（资源+1，唤醒等待者）
共享内存（Shared memory）
- 典型接口：shm_open(), ftruncate(), mmap(), munmap(), shm_unlink()
- 含义：多个进程映射同一块内存，传输最快，但需要额外同步（常配合 semaphore）
  - shm_open()：创建/打开共享内存对象
  - ftruncate()：设置共享内存大小
  - mmap()/munmap()：映射/解除映射
  - shm_unlink()：删除名字（对象最终何时释放取决于引用）
套接字（Socket）
- 典型接口：socket(), bind(), getsockname(), connect(), listen(), accept(), send(), recv(), shutdown()
- 含义：最通用的 IPC（同机/跨网络都能用），支持客户端-服务器模型
  - listen()/accept()：服务端等待连接
  - connect()：客户端发起连接
  - send()/recv()：收发数据
  - shutdown()：半关闭（只关读或只关写）
右图含义（Process 相关资源/接口）
- 进程周围有很多“可交互对象/状态”，例如：文件与管道、标准输入输出、信号、当前目录、环境变量、命令行参数等
- 也有一些机制（如 socket / shared memory / semaphores / messages）更偏系统级 IPC（图中提示有的并不直接由 shell 提供）

优秀的艺术家会“偷” ｜ Great Artists Steal

理解基本原理｜Understand basic principles
- 先把底层概念搞清楚，再去套用/迁移到新问题。
判断能做什么、不能做什么｜Judge what can be done and what cannot
- 明确限制条件（时间/性能/权限/资源/语言特性），避免走不通的方案。
抽象与分治｜Make Abstraction / Divide & Conquer
- 把复杂问题拆成小模块（分治），并用统一接口/模型（抽象）来管理复杂度。
会在网上找资源｜Know how to find various resources on Internet (GNU, …)
- 能熟练查手册/文档/社区资料（如 GNU 工具链等），快速定位“怎么用/为什么/最佳实践”。

Other scripts

脚本语言哲学｜Scripting Language Philosophy

大型、复杂应用（Large, complex applications）
- 性能重要（Performance important）
- 需要结构化（Need structure）
- 目标：防止坏事发生（Goal: prevent bad things）
交互命令 / 脚本（Interactive commands, scripting）
- 性能相对不那么重要（Performance less important）
- 最小结构：更少开销、易于互相交换/组合（Minimum structure: less overhead, easy interchange）
- 目标：促成好事发生（Goal: enable good things）
在 ICCAD 领域广泛使用（Widely used in ICCAD area）
- Tcl/Tk
- Perl
- Python
- SKILL
- Scala/Chisel

Tcl/Tk 概览｜Tcl/Tk Overview

组件技术（Component technologies）
- Tcl：可嵌入的脚本语言（embeddable scripting language）
- Tk：基于 Tcl 的 GUI 工具包与控件（GUI toolkit and widgets based on Tcl）
带来的效果（Results）
- 提升 X 编程层次：更简单，应用开发快 5–10 倍（Raise the level of X programming: simpler, 5–10x faster application development）
- 更强的“粘合/集成”能力：更多东西可编程，应用之间能协同工作（Greater power: more things programmable, applications work together）

双语言方法｜Two-Language Approach

核心思路（Idea）
- 用 Tcl 做脚本/胶水层（Use Tcl for scripting）
- 用 C 或 C++ 做“大东西/重活”（C or C++ for large things）
- 适用场景：随着程序规模、复杂度、复用需求变大，更倾向把核心功能放在 C/C++（Program size, complexity, reuse 越大越偏向 C/C++）
Tcl 的特点（Features for Tcl）
- 语法最小化：易学、易写（Minimal syntax: easy to learn and type）
- 结构最小化：让东西更容易“玩在一起/组合起来”（Minimal structure: make things play together）
- 与 C 的接口简单：便于扩展（Simple interfaces to C: extensibility）
- 适合交互式命令使用（Good for interactive command usage）

browse.tcl helo.tcldef2ver.pcl

Chapter 8：C Programming in Unix

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