Hands On: C/C++ Programming and Unix Application Design: UNIX

1063 Pages·2002·3.17 MB·English

Hands On: C/C++ Programming and
Unix Application Design:
UNIX System Calls and Subroutines using C,
Motif, C++
(cid:1)c A. D. Marshall 1998/9
ii
Contents
1 The Common Desktop Environment 1
1.1 The front panel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The file manager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 The application manager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 The session manager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 Other CDE desktop tools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.6 Application development tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.7 Application integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.8 Windows and the Window Manager . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.9 The Root Menu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 C/C++ Program Compilation 13
2.1 Creating, Compiling and Running Your Program . . . . . . . 13
2.1.1 Creating the program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2 Compilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.3 Running the program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 The C Compilation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 The Preprocessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2 C Compiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Assembler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.4 Link Editor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.5 Some Useful Compiler Options . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.6 Using Libraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.7 UNIX Library Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.8 Finding Information about Library Functions . . . . . 19
2.3 Lint — A C program verifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
iii
iv CONTENTS
3 C Basics 23
3.1 History of C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Characteristics of C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3 C Program Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4 Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.1 Defining Global Variables . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.2 Printing Out and Inputting Variables . . . . . . . . . . 31
3.5 Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.6 Arithmetic Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.7 Comparison Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.8 Logical Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.9 Order of Precedence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4 Conditionals 39
4.1 The if statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 The ? operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3 The switch statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5 Looping and Iteration 45
5.1 The for statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.2 The while statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.3 The do-while statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.4 break and continue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6 Arrays and Strings 55
6.1 Single and Multi-dimensional Arrays . . . . . . . . . . . . . . 55
6.2 Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.3 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7 Functions 59
7.1 void functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.2 Functions and Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.3 Function Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
CONTENTS v
8 Further Data Types 69
8.1 Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.1.1 Defining New Data Types . . . . . . . . . . . . . . . . 70
8.2 Unions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
8.3 Coercion or Type-Casting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.4 Enumerated Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8.5 Static Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
9 Pointers 77
9.1 What is a Pointer? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
9.2 Pointer and Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
9.3 Pointers and Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
9.4 Arrays of Pointers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
9.5 Multidimensional arrays and pointers . . . . . . . . . . . . . . 86
9.6 Static Initialisation of Pointer Arrays . . . . . . . . . . . . . . 89
9.7 Pointers and Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
9.8 Common Pointer Pitfalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
9.8.1 Notassigningapointertomemoryaddressbeforeusingit 90
9.8.2 Illegal indirection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.9 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
10 Dynamic Memory Allocation and Dynamic Structures 93
10.1 Malloc, Sizeof, and Free . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
10.2 Calloc and Realloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
10.3 Linked Lists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
10.4 Full Program: queue.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
10.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
11 Advanced Pointer Topics 103
11.1 Pointers to Pointers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
11.2 Command line input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
11.3 Pointers to a Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
11.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
12 Low Level Operators and Bit Fields 111
12.1 Bitwise Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
12.2 Bit Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
vi CONTENTS
12.2.1 Bit Fields: Practical Example . . . . . . . . . . . . . . 114
12.2.2 A note of caution: Portability . . . . . . . . . . . . . . 116
12.3 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
13 The C Preprocessor 119
13.1 #define . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
13.2 #undef . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
13.3 #include . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
13.4 #if — Conditional inclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
13.5 Preprocessor Compiler Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
13.6 Other Preprocessor Commands . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
13.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
14 C, UNIX and Standard Libraries 125
14.1 Advantages of using UNIX with C . . . . . . . . . . . . . . . . 125
14.2 Using UNIX System Calls and Library Functions . . . . . . . 126
15 IntegerFunctions, RandomNumber, StringConversion, Search-
ing and Sorting: <stdlib.h> 129
15.1 Arithmetic Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
15.2 Random Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
15.3 String Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
15.4 Searching and Sorting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
15.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
16 Mathematics: <math.h> 137
16.1 Math Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
16.2 Math Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
17 Input and Output (I/O):stdio.h 141
17.1 Reporting Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
17.1.1 perror() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
17.1.2 errno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
17.1.3 exit() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
17.2 Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
17.2.1 Predefined Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
17.3 Basic I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
17.4 Formatted I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
CONTENTS vii
17.4.1 Printf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
17.5 scanf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
17.6 Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
17.6.1 Reading and writing files . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
17.7 sprintf and sscanf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
17.7.1 Stream Status Enquiries . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
17.8 Low Level I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
17.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
18 String Handling: <string.h> 155
18.1 Basic String Handling Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
18.1.1 String Searching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
18.2 Character conversions and testing: ctype.h . . . . . . . . . . 159
18.3 Memory Operations: <memory.h> . . . . . . . . . . . . . . . 159
18.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
19 File Access and Directory System Calls 163
19.1 Directory handling functions: <unistd.h> . . . . . . . . . . . 163
19.1.1 ScanningandSortingDirectories:<sys/types.h>,<sys/dir.h>164
19.2 File Manipulation Routines: unistd.h, sys/types.h, sys/stat.h . 167
19.2.1 File Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
19.2.2 File Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
19.2.3 File Manipulation:stdio.h, unistd.h . . . . . . . . . . . 169
19.2.4 Creating Temporary FIles:<stdio.h> . . . . . . . . . . 170
19.3 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
20 Time Functions 173
20.1 Basic time functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
20.2 Example time applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
20.2.1 Example 1: Time (in seconds) to perform some com-
putation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
20.2.2 Example 2: Set a random number seed . . . . . . . . . 175
20.3 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
21 Process Control: <stdlib.h>,<unistd.h> 177
21.1 Running UNIX Commands from C . . . . . . . . . . . . . . . 177
21.2 execl() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
21.3 fork() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
viii CONTENTS
21.4 wait() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
21.5 exit() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
21.6 Exerises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
22 Interprocess Communication (IPC), Pipes 185
22.1 Piping in a C program: <stdio.h> . . . . . . . . . . . . . . 185
22.2 popen() — Formatted Piping . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
22.3 pipe() — Low level Piping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
22.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
23 IPC:Interrupts and Signals: <signal.h> 193
23.1 Sending Signals — kill(), raise() . . . . . . . . . . . . . . 194
23.2 Signal Handling — signal() . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
23.3 sig talk.c — complete example program . . . . . . . . . . . 197
23.4 Other signal functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
24 IPC:Message Queues:<sys/msg.h> 201
24.1 Initialising the Message Queue . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
24.2 IPCFunctions,KeyArguments,andCreationFlags: <sys/ipc.h>204
24.3 Controlling message queues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
24.4 Sending and Receiving Messages . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
24.5 POSIX Messages: <mqueue.h> . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
24.6 Example: Sending messages between two processes . . . . . . 209
24.6.1 message send.c — creating and sending to a simple
message queue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
24.6.2 message rec.c — receiving the above message . . . . 211
24.7 Some further example message queue programs . . . . . . . . 213
24.7.1 msgget.c: Simple Program to illustrate msget() . . . 213
24.7.2 msgctl.cSample Program to Illustrate msgctl() . . . 215
24.7.3 msgop.c: Sample Program to Illustrate msgsnd() and
msgrcv() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
24.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
25 IPC:Semaphores 227
25.1 Initializing a Semaphore Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
25.2 Controlling Semaphores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
25.3 Semaphore Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
25.4 POSIX Semaphores: <semaphore.h> . . . . . . . . . . . . . . 234
CONTENTS ix
25.5 semaphore.c: Illustration of simple semaphore passing . . . . 234
25.6 Some further example semaphore programs . . . . . . . . . . . 240
25.6.1 semget.c: Illustrate the semget() function . . . . . . 240
25.6.2 semctl.c: Illustrate the semctl() function . . . . . . 241
25.6.3 semop() Sample Program to Illustrate semop() . . . . 248
25.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
26 IPC:Shared Memory 255
26.1 Accessing a Shared Memory Segment . . . . . . . . . . . . . . 256
26.1.1 Controlling a Shared Memory Segment . . . . . . . . . 257
26.2 Attaching and Detaching a Shared Memory Segment . . . . . 258
26.3 Exampletwoprocessescomunicatingviasharedmemory:shm server.c,
shm client.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
26.3.1 shm server.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
26.3.2 shm client.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
26.4 POSIX Shared Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
26.5 Mapped memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
26.5.1 Address Spaces and Mapping . . . . . . . . . . . . . . 264
26.5.2 Coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
26.5.3 Creating and Using Mappings . . . . . . . . . . . . . . 265
26.5.4 Other Memory Control Functions . . . . . . . . . . . . 266
26.6 Some further example shared memory programs . . . . . . . . 267
26.6.1 shmget.c:Sample Program to Illustrate shmget() . . . 268
26.6.2 shmctl.c: Sample Program to Illustrate shmctl() . . 270
26.6.3 shmop.c: Sample Program to Illustrate shmat() and
shmdt() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
26.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
27 IPC:Sockets 281
27.1 Socket Creation and Naming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
27.2 Connecting Stream Sockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
27.3 Stream Data Transfer and Closing . . . . . . . . . . . . . . . . 284
27.4 Datagram sockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
27.5 Socket Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
27.6 Example Socket Programs:socket server.c,socket client . 285
27.6.1 socket server.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
27.6.2 socket client.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
27.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
x CONTENTS
28 Threads: Basic Theory and Libraries 293
28.1 Processes and Threads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
28.1.1 Benefits of Threads vs Processes . . . . . . . . . . . . . 294
28.1.2 Multithreading vs. Single threading . . . . . . . . . . . 295
28.1.3 Some Example applications of threads . . . . . . . . . 296
28.2 Thread Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
28.2.1 User-Level Threads (ULT) . . . . . . . . . . . . . . . . 297
28.2.2 Kernel-Level Threads (KLT) . . . . . . . . . . . . . . . 299
28.2.3 Combined ULT/KLT Approaches . . . . . . . . . . . . 299
28.3 Threads libraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
28.4 The POSIX Threads Library:libpthread, <pthread.h> . . . 301
28.4.1 Creating a (Default) Thread . . . . . . . . . . . . . . . 301
28.4.2 Wait for Thread Termination . . . . . . . . . . . . . . 302
28.4.3 A Simple Threads Example . . . . . . . . . . . . . . . 303
28.4.4 Detaching a Thread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
28.4.5 Create a Key for Thread-Specific Data . . . . . . . . . 305
28.4.6 Delete the Thread-Specific Data Key . . . . . . . . . . 306
28.4.7 Set the Thread-Specific Data Key . . . . . . . . . . . . 306
28.4.8 Get the Thread-Specific Data Key . . . . . . . . . . . . 307
28.4.9 Global and Private Thread-Specific Data Example . . . 308
28.4.10Getting the Thread Identifiers . . . . . . . . . . . . . . 310
28.4.11Comparing Thread IDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
28.4.12Initializing Threads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
28.4.13Yield Thread Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
28.4.14Set the Thread Priority . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
28.4.15Get the Thread Priority . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
28.4.16Send a Signal to a Thread . . . . . . . . . . . . . . . . 313
28.4.17Access the Signal Mask of the Calling Thread . . . . . 313
28.4.18Terminate a Thread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
28.5 Solaris Threads: <thread.h> . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
28.5.1 Unique Solaris Threads Functions . . . . . . . . . . . . 316
28.5.2 Similar Solaris Threads Functions . . . . . . . . . . . . 322
28.6 Compiling a Multithreaded Application . . . . . . . . . . . . . 328
28.6.1 Preparing for Compilation . . . . . . . . . . . . . . . . 329
28.6.2 Debugging a Multithreaded Program . . . . . . . . . . 330