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系统与网络编程 / Systems & Networking

1. 系统与网络编程路线 / Systems and Network Programming Roadmap

2. 进程、fork/exec、wait 与信号 / Processes, fork/exec, wait, and Signals

3. 文件描述符、I/O、mmap 与资源所有权 / File Descriptors, I/O, mmap, and Resource Ownership

4. IPC、调度与虚拟内存边界 / IPC, Scheduling, and Virtual Memory Boundaries

5. Socket API、TCP 与连接模型 / Socket API, TCP, and Connection Model

6. 非阻塞 I/O、epoll 与 Reactor / Nonblocking I/O, epoll, and Reactor

7. 协议分帧、HTTP 基础与服务加固 / Protocol Framing, HTTP Basics, and Service Hardening

8. 系统网络调试与生产检查表 / System and Network Debugging and Production Checklist

本页目录

文件描述符、I/O、mmap 与资源所有权 / File Descriptors, I/O, mmap, and Resource Ownership ​

1. 为什么 fd 是系统编程入口 ​

在 Unix-like 系统中，文件、目录、pipe、socket、终端、eventfd、timerfd 都可以通过 fd 进入统一 I/O 模型。fd 是进程 fd 表里的整数，不是资源本身。

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process fd table
  fd 0 -> terminal/stdin
  fd 1 -> terminal/stdout
  fd 2 -> terminal/stderr
  fd 3 -> open file description -> inode/file/socket/pipe
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2. fd、open file description、inode ​

open() 返回 fd。fd 指向 open file description，后者包含文件 offset、status flags 等状态。多个 fd 可以通过 dup 或 fork 指向同一个 open file description，因此共享 offset。

text
fd 3 ----+
         +--> open file description(offset=128, flags=O_APPEND)
fd 4 ----+
              |
              v
          file object / inode
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这解释了为什么 dup 后两个 fd 读同一个文件会互相影响 offset。需要独立 offset 时重新 open，或使用 pread/pwrite。

3. open flags ​

常见 flags 要区分：

  • access mode：O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR；
  • creation：O_CREAT、O_EXCL、O_TRUNC；
  • behavior：O_APPEND、O_NONBLOCK、O_CLOEXEC、O_SYNC。

O_CLOEXEC 是防 fd 泄漏到 exec 子进程的重要选项；O_NONBLOCK 改变 read/write 在无数据或缓冲区满时的行为。

4. read/write 的真实语义 ​

read 返回正数表示读到字节，0 表示 EOF，-1 表示错误。对普通文件、pipe、socket 的阻塞和 EOF 语义不同。write 也可能部分写，不能假设一次写完。

text
read(fd, buf, n)
  >0 : bytes read
   0 : EOF or peer closed write side
  -1 : errno explains failure

write(fd, buf, n)
  >0 and < n : partial write, continue
  -1 : EPIPE/EAGAIN/EINTR/...
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5. EINTR 和 EAGAIN ​

EINTR 表示系统调用被信号打断；EAGAIN/EWOULDBLOCK 表示非阻塞资源当前条件不满足。二者处理方式不同：EINTR 常可重试，EAGAIN 要等待就绪或稍后再试。

6. pread/pwrite ​

pread/pwrite 带显式 offset，不改变 open file description 的共享 offset，适合多线程或随机访问文件。

7. dup 和重定向 ​

shell 的 cmd > out.txt 本质是打开文件，然后把 stdout fd 复制到该 open file description。C++ 启动子进程时也常用 dup2 做 stdin/stdout/stderr 重定向。

cpp
int out = open("out.txt", O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC|O_CLOEXEC, 0644);
dup2(out, STDOUT_FILENO);
close(out);
execlp("ls", "ls", nullptr);
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8. pipe ​

pipe 是内核缓冲区，一端读一端写。读端全部关闭后写会 EPIPE/SIGPIPE；写端全部关闭后读返回 0。父子进程通信时必须关闭不用的端，否则 EOF 永远不来。

9. mmap 的心智模型 ​

mmap 把文件或匿名内存映射进进程虚拟地址空间。它返回的指针不是普通 new 出来的内存，生命周期由映射区、文件、权限和页错误共同决定。

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file bytes
  -> mmap
  -> virtual address range
  -> page fault loads pages on demand
  -> munmap releases mapping
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mmap 适合随机访问大文件、共享内存和减少显式 read/write 拷贝，但它带来 SIGBUS、页错误、刷新时机和文件截断风险。

10. msync、munmap 和 SIGBUS ​

MAP_SHARED 修改是否落盘受内核策略影响，可用 msync 请求同步。文件被截断后访问原映射的越界页可能 SIGBUS。生产代码要把映射大小、文件大小和异常信号风险写进边界。

11. RAII 封装 ​

cpp
class unique_fd {
public:
    explicit unique_fd(int fd = -1) noexcept : fd_(fd) {}
    ~unique_fd() { if (fd_ >= 0) ::close(fd_); }
    unique_fd(const unique_fd&) = delete;
    unique_fd& operator=(const unique_fd&) = delete;
    unique_fd(unique_fd&& other) noexcept : fd_(std::exchange(other.fd_, -1)) {}
    int get() const noexcept { return fd_; }
private:
    int fd_;
};
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析构函数里 close 失败通常无法恢复，但显式 flush/fsync/msync 的错误必须在析构前处理。不要把关键写入错误藏进析构。

12. 常见错误 ​

  • 把 fd 整数复制给多个对象，导致 double close。
  • 忽略 partial read/write。
  • 忘记 O_CLOEXEC，子进程继承 fd。
  • pipe 父子两边没关闭不用端，导致读不到 EOF。
  • mmap 后文件被截断仍继续访问。
  • 析构时才发现 fsync 失败，错误已无法报告。

13. 调试命令 ​

bash
lsof -p <pid>
ls -l /proc/<pid>/fd
strace -e openat,read,write,close,mmap,munmap ./program
pmap -x <pid>
cat /proc/<pid>/maps
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14. 练习 ​

  1. 写 cp 的简化版，正确处理 partial read/write。
  2. 用 dup2 把子进程 stdout 重定向到文件。
  3. 写 pipe 父子通信，故意不关闭写端观察 EOF 问题。
  4. mmap 一个文件并打印前 1KB，再截断文件观察风险。
  5. 给 unique_fd 加 move assignment。

15. 总结 ​

fd 篇的关键是三层关系：fd 是进程局部句柄，open file description 保存 offset/flags，底层对象可能是文件、pipe、socket 或设备。C++ RAII 要管理 fd 生命周期，但不能掩盖 I/O 错误和映射风险。

深化切片 1：最小实验 ​

围绕 fd 和 open file description 做一次工程练习。用一个最小程序观察一个系统行为，不要把 shell、库封装和业务代码混在一起。

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hypothesis
  -> minimal program
  -> external observation
  -> failure injection
  -> engineering rule
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复盘时要说明：这个现象属于 C++ 对象生命周期、POSIX/系统调用语义、内核调度、文件系统、虚拟内存，还是网络协议。分层越清楚，文件描述符、I/O、mmap 与资源所有权 就越不容易学成 API 背诵。

深化切片 2：错误注入 ​

围绕 open file description 和 read 做一次工程练习。故意制造一个失败条件，例如文件不存在、权限不足、子进程退出码非零、管道对端关闭或映射越界。

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hypothesis
  -> minimal program
  -> external observation
  -> failure injection
  -> engineering rule
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复盘时要说明：这个现象属于 C++ 对象生命周期、POSIX/系统调用语义、内核调度、文件系统、虚拟内存，还是网络协议。分层越清楚，文件描述符、I/O、mmap 与资源所有权 就越不容易学成 API 背诵。

深化切片 3：外部观察 ​

围绕 read 和 write 做一次工程练习。用 ps、strace、lsof、pmap、ss、tcpdump 或调试器观察内核状态，而不是只看 C++ 变量。

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hypothesis
  -> minimal program
  -> external observation
  -> failure injection
  -> engineering rule
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复盘时要说明：这个现象属于 C++ 对象生命周期、POSIX/系统调用语义、内核调度、文件系统、虚拟内存，还是网络协议。分层越清楚，文件描述符、I/O、mmap 与资源所有权 就越不容易学成 API 背诵。

深化切片 4：RAII 封装 ​

围绕 write 和 dup2 做一次工程练习。把资源获取、移动、释放和失效状态写进类型，避免正常路径能释放、异常路径泄漏。

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hypothesis
  -> minimal program
  -> external observation
  -> failure injection
  -> engineering rule
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复盘时要说明：这个现象属于 C++ 对象生命周期、POSIX/系统调用语义、内核调度、文件系统、虚拟内存，还是网络协议。分层越清楚，文件描述符、I/O、mmap 与资源所有权 就越不容易学成 API 背诵。

深化切片 5：并发边界 ​

围绕 dup2 和 pipe 做一次工程练习。系统调用可能阻塞，信号可能打断等待，多个线程可能同时操作同一个资源。

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hypothesis
  -> minimal program
  -> external observation
  -> failure injection
  -> engineering rule
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复盘时要说明：这个现象属于 C++ 对象生命周期、POSIX/系统调用语义、内核调度、文件系统、虚拟内存，还是网络协议。分层越清楚，文件描述符、I/O、mmap 与资源所有权 就越不容易学成 API 背诵。

深化切片 6：生产复盘 ​

围绕 pipe 和 mmap 做一次工程练习。记录命令、errno、pid、fd、路径、peer、字节数和状态，保证另一个人能复现。

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  -> minimal program
  -> external observation
  -> failure injection
  -> engineering rule
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复盘时要说明：这个现象属于 C++ 对象生命周期、POSIX/系统调用语义、内核调度、文件系统、虚拟内存，还是网络协议。分层越清楚，文件描述符、I/O、mmap 与资源所有权 就越不容易学成 API 背诵。

深化切片 7：最小实验 ​

围绕 mmap 和 RAII 做一次工程练习。用一个最小程序观察一个系统行为，不要把 shell、库封装和业务代码混在一起。

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  -> external observation
  -> failure injection
  -> engineering rule
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复盘时要说明：这个现象属于 C++ 对象生命周期、POSIX/系统调用语义、内核调度、文件系统、虚拟内存，还是网络协议。分层越清楚，文件描述符、I/O、mmap 与资源所有权 就越不容易学成 API 背诵。

深化切片 8：错误注入 ​

围绕 RAII 和 fd 做一次工程练习。故意制造一个失败条件，例如文件不存在、权限不足、子进程退出码非零、管道对端关闭或映射越界。

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复盘时要说明：这个现象属于 C++ 对象生命周期、POSIX/系统调用语义、内核调度、文件系统、虚拟内存，还是网络协议。分层越清楚，文件描述符、I/O、mmap 与资源所有权 就越不容易学成 API 背诵。

深化切片 9：外部观察 ​

围绕 fd 和 open file description 做一次工程练习。用 ps、strace、lsof、pmap、ss、tcpdump 或调试器观察内核状态，而不是只看 C++ 变量。

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  -> external observation
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复盘时要说明：这个现象属于 C++ 对象生命周期、POSIX/系统调用语义、内核调度、文件系统、虚拟内存，还是网络协议。分层越清楚，文件描述符、I/O、mmap 与资源所有权 就越不容易学成 API 背诵。

深化切片 10：RAII 封装 ​

围绕 open file description 和 read 做一次工程练习。把资源获取、移动、释放和失效状态写进类型，避免正常路径能释放、异常路径泄漏。

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复盘时要说明：这个现象属于 C++ 对象生命周期、POSIX/系统调用语义、内核调度、文件系统、虚拟内存，还是网络协议。分层越清楚，文件描述符、I/O、mmap 与资源所有权 就越不容易学成 API 背诵。

深化切片 11：并发边界 ​

围绕 read 和 write 做一次工程练习。系统调用可能阻塞，信号可能打断等待，多个线程可能同时操作同一个资源。

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  -> external observation
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深化切片 12：生产复盘 ​

围绕 write 和 dup2 做一次工程练习。记录命令、errno、pid、fd、路径、peer、字节数和状态，保证另一个人能复现。

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深化切片 13：最小实验 ​

围绕 dup2 和 pipe 做一次工程练习。用一个最小程序观察一个系统行为，不要把 shell、库封装和业务代码混在一起。

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深化切片 14：错误注入 ​

围绕 pipe 和 mmap 做一次工程练习。故意制造一个失败条件，例如文件不存在、权限不足、子进程退出码非零、管道对端关闭或映射越界。

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深化切片 15：外部观察 ​

围绕 mmap 和 RAII 做一次工程练习。用 ps、strace、lsof、pmap、ss、tcpdump 或调试器观察内核状态，而不是只看 C++ 变量。

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深化切片 16：RAII 封装 ​

围绕 RAII 和 fd 做一次工程练习。把资源获取、移动、释放和失效状态写进类型，避免正常路径能释放、异常路径泄漏。

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  -> external observation
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深化切片 17：并发边界 ​

围绕 fd 和 open file description 做一次工程练习。系统调用可能阻塞，信号可能打断等待，多个线程可能同时操作同一个资源。

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深化切片 18：生产复盘 ​

围绕 open file description 和 read 做一次工程练习。记录命令、errno、pid、fd、路径、peer、字节数和状态，保证另一个人能复现。

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深化切片 19：最小实验 ​

围绕 read 和 write 做一次工程练习。用一个最小程序观察一个系统行为，不要把 shell、库封装和业务代码混在一起。

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深化切片 20：错误注入 ​

围绕 write 和 dup2 做一次工程练习。故意制造一个失败条件，例如文件不存在、权限不足、子进程退出码非零、管道对端关闭或映射越界。

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深化切片 21：外部观察 ​

围绕 dup2 和 pipe 做一次工程练习。用 ps、strace、lsof、pmap、ss、tcpdump 或调试器观察内核状态，而不是只看 C++ 变量。

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深化切片 22：RAII 封装 ​

围绕 pipe 和 mmap 做一次工程练习。把资源获取、移动、释放和失效状态写进类型，避免正常路径能释放、异常路径泄漏。

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深化切片 23：并发边界 ​

围绕 mmap 和 RAII 做一次工程练习。系统调用可能阻塞，信号可能打断等待，多个线程可能同时操作同一个资源。

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深化切片 24：生产复盘 ​

围绕 RAII 和 fd 做一次工程练习。记录命令、errno、pid、fd、路径、peer、字节数和状态，保证另一个人能复现。

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深化切片 25：最小实验 ​

围绕 fd 和 open file description 做一次工程练习。用一个最小程序观察一个系统行为，不要把 shell、库封装和业务代码混在一起。

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深化切片 26：错误注入 ​

围绕 open file description 和 read 做一次工程练习。故意制造一个失败条件，例如文件不存在、权限不足、子进程退出码非零、管道对端关闭或映射越界。

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深化切片 27：外部观察 ​

围绕 read 和 write 做一次工程练习。用 ps、strace、lsof、pmap、ss、tcpdump 或调试器观察内核状态，而不是只看 C++ 变量。

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  -> external observation
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深化切片 28：RAII 封装 ​

围绕 write 和 dup2 做一次工程练习。把资源获取、移动、释放和失效状态写进类型，避免正常路径能释放、异常路径泄漏。

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深化切片 29：并发边界 ​

围绕 dup2 和 pipe 做一次工程练习。系统调用可能阻塞，信号可能打断等待，多个线程可能同时操作同一个资源。

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深化切片 30：生产复盘 ​

围绕 pipe 和 mmap 做一次工程练习。记录命令、errno、pid、fd、路径、peer、字节数和状态，保证另一个人能复现。

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  -> external observation
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深化切片 31：最小实验 ​

围绕 mmap 和 RAII 做一次工程练习。用一个最小程序观察一个系统行为，不要把 shell、库封装和业务代码混在一起。

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  -> external observation
  -> failure injection
  -> engineering rule
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深化切片 32：错误注入 ​

围绕 RAII 和 fd 做一次工程练习。故意制造一个失败条件，例如文件不存在、权限不足、子进程退出码非零、管道对端关闭或映射越界。

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深化切片 33：外部观察 ​

围绕 fd 和 open file description 做一次工程练习。用 ps、strace、lsof、pmap、ss、tcpdump 或调试器观察内核状态，而不是只看 C++ 变量。

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深化切片 34：RAII 封装 ​

围绕 open file description 和 read 做一次工程练习。把资源获取、移动、释放和失效状态写进类型，避免正常路径能释放、异常路径泄漏。

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