Conseils pour implémenter la programmation au niveau du système en utilisant C++

Avec le développement continu de la technologie informatique, de plus en plus de logiciels et de systèmes nécessitent une programmation au niveau du système. La programmation au niveau du système nécessite une interaction directe avec le système d'exploitation et nécessite efficacité, stabilité et sécurité, elle nécessite donc la maîtrise de certaines compétences professionnelles. Cet article se concentrera sur les techniques d'utilisation du C++ pour implémenter la programmation au niveau système.

1. Comprendre le système d'exploitation
Avant d'effectuer une programmation au niveau du système, vous devez avoir une compréhension approfondie du système d'exploitation utilisé. Le système d'exploitation constitue la base de la programmation au niveau du système. Par exemple, les systèmes d'exploitation Windows et Linux ont des systèmes de fichiers, une gestion des processus, une gestion de la mémoire et d'autres mécanismes différents. Cela nécessite une compréhension approfondie de ces mécanismes pour effectuer une programmation au niveau du système. Il est recommandé de lire davantage de livres sur le système d'exploitation, notamment les principes du système d'exploitation, la gestion des processus, les systèmes de fichiers, les pilotes, etc.

2. Utiliser les appels système
Les appels système sont la base de la programmation au niveau du système. Le système d'exploitation fournit un ensemble d'API, que nous appelons appels système. Les appels système sont la seule interface fournie par le noyau du système d'exploitation aux applications. Les appels système peuvent fournir une série de services au sein du système d'exploitation, tels que les E/S de fichiers, la gestion des processus, la communication réseau, etc. Par conséquent, nous devons apprendre à appeler des appels système.

C++ fournit certaines fonctions intégrées pour effectuer des appels système, tels que ouvrir, lire, écrire, fermer, etc. Certains détails doivent être pris en compte lors de l'utilisation de ces fonctions. Par exemple, pour la fonction open :

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int open(const char* path, int flags);

Parmi eux, path est le chemin du fichier, flags est la méthode d'ouverture du fichier et la valeur de retour est le descripteur de fichier du fichier. Lorsque vous effectuez des opérations d'E/S sur des fichiers, vous devez gérer les conditions d'erreur du descripteur de fichier, telles que l'échec de l'ouverture du fichier, l'échec de la lecture et de l'écriture, etc.

En plus d'utiliser les fonctions intégrées de C++ pour effectuer des appels système, vous pouvez également utiliser la bibliothèque d'appels système pour effectuer des appels système. Sous Linux, vous pouvez utiliser la bibliothèque libc, qui fournit un grand nombre de fonctions d'appel système. Par exemple, la fonction open ci-dessus peut être appelée via la bibliothèque libc :

#include <unistd.h>

int fd = open(path, O_RDWR);

Parmi elles, O_RDWR représente le mode de lecture et d'écriture, et fd est le descripteur de fichier. La bibliothèque libc fournit également d'autres fonctions d'appel système, telles que fork, execve, kill, etc.

3. Gestion de la mémoire
Lors de l'exécution de la programmation au niveau du système, les problèmes de gestion de la mémoire doivent être pris en compte. Normalement, le système d'exploitation alloue un espace d'adressage mémoire à chaque processus et fournit certains mécanismes pour gérer la mémoire. C++ fournit également des outils de gestion de la mémoire, tels que new, delete, etc. Mais lorsque vous effectuez une programmation au niveau du système, vous devez comprendre des mécanismes de gestion de la mémoire plus complexes.

En C++, vous pouvez utiliser malloc et des fonctions gratuites pour allouer et libérer de la mémoire. Il convient de noter que le type de pointeur renvoyé par malloc est void* et doit être converti en type qui nécessite une allocation de mémoire. Dans le même temps, lorsque vous utilisez malloc pour allouer de la mémoire, vous devez faire attention aux problèmes d'alignement de la mémoire. L'alignement de la mémoire peut améliorer les performances du programme, mais il gaspille également de l'espace mémoire.

En plus d'utiliser malloc et free pour l'allocation et la libération de mémoire, vous pouvez également utiliser la fonction mmap. La fonction mmap peut mapper un fichier et une zone mémoire ensemble pour faciliter les opérations d'E/S de fichier. Le pointeur renvoyé par la fonction mmap peut directement lire et écrire le contenu du fichier. Bien entendu, lorsque vous utilisez la fonction mmap, vous devez également faire attention aux problèmes d'alignement de la mémoire.

4. Gestion des processus
Lors de l'exécution de la programmation au niveau du système, la gestion des processus est souvent requise. Le système d'exploitation fournit certains appels de système de gestion de processus pour les applications, tels que fork, execve, wait, etc. Ces appels système facilitent la création, l'exécution et la gestion des processus.

L'appel système fork peut créer un processus enfant, qui partage le code du processus parent, mais est indépendant dans l'espace de données, et l'espace de pile du processus enfant est également indépendant. La valeur de retour de fork est l'ID du processus enfant, qui peut être utilisé pour distinguer le processus parent et le processus enfant. L'appel système execve peut exécuter un nouveau programme qui remplacera l'image du processus actuel. L'appel système wait peut attendre la fin d'un processus enfant et renvoyer son statut de fin.

Lors de la gestion des processus, vous devez également prêter attention à la question de la communication des données entre plusieurs processus. La communication entre plusieurs processus peut utiliser des mécanismes tels que des canaux, une mémoire partagée et des files d'attente de messages.

5. Effectuer le développement des pilotes
Les pilotes sont une partie importante de la programmation au niveau du système. Les pilotes peuvent fournir des services matériels à la couche supérieure, gérer les périphériques matériels et interagir avec le matériel de la couche inférieure. Les pilotes fonctionnent généralement en mode noyau et sont efficaces et en temps réel.

Une prudence particulière est requise lors du développement des pilotes. Étant donné que le pilote interagit directement avec le matériel, il est facile d’affecter le système et peut même provoquer une panne du système. Lors du développement de pilotes, une attention particulière doit être accordée à l'allocation et à la libération de la mémoire, à la gestion des interruptions, à l'utilisation des verrous, etc.

C++ fournit une syntaxe spéciale pour le développement de pilotes, telles que des fonctions virtuelles, des opérateurs surchargés, etc. Cependant, lors du développement de pilotes, nous devons suivre les réglementations et le style de codage du noyau. Les pilotes doivent être écrits dans le code du noyau, compilés et liés via des makefiles. Par conséquent, lors du développement de pilotes, vous devez maîtriser les connaissances pertinentes en matière de programmation du noyau.

Résumé
Cet article présente quelques techniques d'utilisation du C++ pour implémenter la programmation au niveau du système, notamment la compréhension du système d'exploitation, l'utilisation des appels système, la gestion de la mémoire, la gestion des processus, le développement de pilotes, etc. La programmation au niveau du système nécessite une compréhension approfondie du système d'exploitation et certaines compétences professionnelles. Elle nécessite également un style de codage rigoureux et une attention particulière à la sécurité du programme et à d'autres problèmes. J'espère que cet article pourra être utile aux lecteurs lors de la programmation au niveau du système.

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