系統程式設計

系統程式設計涉及編寫直接與電腦硬體和作業系統互動的軟體。C++ 是系統程式設計的主要語言，因為它具有低階記憶體存取、性能和對系統資源的控制。本模組將涵蓋檔案 I/O、網路程式設計、行程間通訊和系統呼叫等基本概念，並強調 C++ 與 JavaScript 高階抽象的差異。

檔案 I/O 操作

C++ 透過 <fstream> 函式庫提供了強大的檔案輸入和輸出機制。這允許程式讀取和寫入本機檔案系統上的檔案。

• std::ifstream：用於從檔案讀取。
• std::ofstream：用於寫入檔案。
• std::fstream：用於讀取和寫入。

網路程式設計基礎

C++ 提供了對網路通訊端點的低階存取，可以直接透過網路進行通訊。這通常是透過系統特定的 API（例如 Windows 上的 Winsock 或類 Unix 系統上的 Berkeley 通訊端點）或跨平台函式庫來完成的。

通訊端點

• 通訊端點： 用於在電腦網路中傳送或接收資料的端點。
• 類型： 串流通訊端點 (TCP) 用於可靠、面向連線的通訊；資料包通訊端點 (UDP) 用於不可靠、無連線的通訊。

行程間通訊 (IPC)

IPC 機制允許不同的行程通訊並同步其動作。C++ 可以利用各種作業系統級別的 IPC 方法。

• 管道： 相關行程之間的單向通訊通道。
• 共享記憶體： 最快的 IPC，允許行程直接存取共同的記憶體區域。
• 訊息佇列： 行程透過系統佇列交換訊息。
• 號誌： 用於控制對共享資源存取的同步原語。
• 通訊端點： 也可用於不相關行程之間的 IPC，甚至在不同的機器上。

系統呼叫介面

C++ 程式可以直接呼叫系統呼叫，以請求作業系統核心的服務。這些呼叫提供了對檔案系統操作、行程管理和網路通訊等低階功能的存取。

• open()、read()、write()、close()： 低階檔案操作。
• fork()、exec()、wait()： 行程建立和管理。
• socket()、bind()、listen()、accept()、connect()： 網路通訊端點操作。

跨平台開發考量

雖然 C++ 提供了低階控制，但系統程式設計通常涉及平台特定的 API。為了編寫跨平台程式碼，開發人員通常使用：

• 標準 C++ 函式庫： 提供平台獨立的功能（例如，std::thread、std::filesystem (C++17)）。
• 跨平台函式庫： 像 Boost.Asio (網路)、Qt (GUI、網路、檔案系統) 或 POCO C++ 函式庫這樣的函式庫抽象了作業系統的差異。
• 條件編譯： 使用預處理器指令（#ifdef、#ifndef）來包含平台特定的程式碼。

低階記憶體操作

C++ 允許透過指標直接操作記憶體，從而實現高度優化和專門的記憶體操作。這包括：

• 原始記憶體分配： malloc/free (來自 C) 或 new/delete。
• 放置 new： 在預先分配的記憶體位置建構物件。
• 位元操作： 直接操作資料類型中的個別位元。
• 記憶體映射： 將檔案或裝置直接映射到行程的位址空間。

與 JavaScript 系統程式設計的比較

JavaScript，特別是在瀏覽器環境中，是高度沙盒化的，對底層作業系統或硬體的直接存取非常有限。Node.js 將 JavaScript 的功能擴展到伺服器端，提供了檔案系統存取、網路和行程管理等 API，但這些通常是建立在 C++ 或 C 程式碼之上的高階抽象。

C++ 是作業系統、嵌入式系統、裝置驅動程式和高性能伺服器應用程式的首選語言，在這些領域中，直接硬體互動、精確記憶體控制和最大性能至關重要。JavaScript，即使是 Node.js，也運行在更高的抽象層次上，優先考慮開發人員生產力和安全性，而不是原始系統控制。

---

練習題：

1. 描述 C++ 中高階檔案 I/O（如 std::ofstream）和低階檔案 I/O（如 open/read/write 系統呼叫）之間的區別。何時會選擇其中一個？
2. 解釋網路程式設計中通訊端點的概念。C++ 的網路程式設計方法與 JavaScript（例如，在 Node.js 中）有何不同？
3. 什麼是系統呼叫，為什麼它們在系統程式設計中很重要？提供一個通常需要系統呼叫的任務範例。

專案構想：

• 在 C++ 中實作一個簡單的命令行工具，將一個檔案的內容複製到另一個檔案。你的程式應接受兩個命令行參數：來源檔案路徑和目標檔案路徑。使用 std::ifstream 和 std::ofstream 進行檔案操作。新增錯誤處理，例如檔案未找到或無法寫入目標。對於進階挑戰，嘗試使用低階 open、read 和 write 系統呼叫來實作它。