系统编程

系统编程涉及编写直接与计算机硬件和操作系统交互的软件。C++ 是系统编程的主要语言，因为它具有低级内存访问、性能和对系统资源的控制。本模块将涵盖文件 I/O、网络编程、进程间通信和系统调用等基本概念，并强调 C++ 与 JavaScript 高级抽象的差异。

文件 I/O 操作

C++ 通过 <fstream> 库提供了强大的文件输入和输出机制。这允许程序读取和写入本地文件系统上的文件。

• std::ifstream：用于从文件读取。
• std::ofstream：用于写入文件。
• std::fstream：用于读取和写入。

网络编程基础

C++ 提供了对网络套接字的低级访问， enabling direct communication over networks. This is typically done using system-specific APIs (like Winsock on Windows or Berkeley sockets on Unix-like systems) or cross-platform libraries.

套接字

• 套接字： 用于在计算机网络中发送或接收数据的端点。
• 类型： 流套接字 (TCP) 用于可靠、面向连接的通信；数据报套接字 (UDP) 用于不可靠、无连接的通信。

进程间通信 (IPC)

IPC 机制允许不同的进程通信并同步其动作。C++ 可以利用各种 OS 级别的 IPC 方法。

• 管道： 相关进程之间的单向通信通道。
• 共享内存： 最快的 IPC，允许进程直接访问共同的内存区域。
• 消息队列： 进程通过系统队列交换消息。
• 信号量： 用于控制对共享资源访问的同步原语。
• 套接字： 也可以用于不相关进程之间的 IPC，甚至在不同的机器上。

系统调用接口

C++ 程序可以直接调用系统调用来请求操作系统内核的服务。这些调用提供了对文件系统操作、进程管理和网络通信等低级功能的访问。

• open()、read()、write()、close()： 低级文件操作。
• fork()、exec()、wait()： 进程创建和管理。
• socket()、bind()、listen()、accept()、connect()： 网络套接字操作。

跨平台开发考虑

虽然 C++ 提供了低级控制，但系统编程通常涉及平台特定的 API。为了编写跨平台代码，开发人员通常使用：

• 标准 C++ 库： 提供平台独立的功能（例如，std::thread、std::filesystem (C++17)）。
• 跨平台库： 像 Boost.Asio (网络)、Qt (GUI、网络、文件系统) 或 POCO C++ 库这样的库抽象了 OS 差异。
• 条件编译： 使用预处理器指令（#ifdef、#ifndef）来包含平台特定的代码。

低级内存操作

C++ 允许通过指针直接操作内存， enabling highly optimized and specialized memory operations. This includes:

• 原始内存分配： malloc/free (来自 C) 或 new/delete。
• 放置 new： 在预先分配的内存位置构造对象。
• 位操作： 直接操作数据类型中的单个位。
• 内存映射： 将文件或设备直接映射到进程的地址空间。

与 JavaScript 系统编程的比较

JavaScript，特别是在浏览器环境中，是高度沙盒化的，对底层操作系统或硬件的直接访问非常有限。Node.js 将 JavaScript 的功能扩展到服务器端，提供了文件系统访问、网络和进程管理等 API，但这些通常是建立在 C++ 或 C 代码之上的高级抽象。

C++ 是操作系统、嵌入式系统、设备驱动程序和高性能服务器应用程序的首选语言，在这些领域中，直接硬件交互、精确内存控制和最大性能至关重要。JavaScript，即使是 Node.js，也运行在更高的抽象层次上，优先考虑开发人员生产力和安全性，而不是原始系统控制。

---

练习题：

1. 描述 C++ 中高级文件 I/O（如 std::ofstream）和低级文件 I/O（如 open/read/write 系统调用）之间的区别。何时会选择其中一个？
2. 解释网络编程中套接字的概念。C++ 的网络编程方法与 JavaScript（例如，在 Node.js 中）有何不同？
3. 什么是系统调用，为什么它们在系统编程中很重要？提供一个通常需要系统调用的任务示例。

项目构想：

• 创建一个简单的 C++ 程序，将一个文件的内容复制到另一个文件。你的程序应接受两个命令行参数：源文件路径和目标文件路径。使用 std::ifstream 和 std::ofstream 进行文件操作。添加错误处理，例如文件未找到或无法写入目标。对于高级挑战，尝试使用低级 open、read 和 write 系统调用来实现它。