برنامه‌نویسی سیستم به مجموعه مهارت‌ها و دانش‌هایی اطلاق می‌شود که به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد با هسته سیستم‌عامل، سخت‌افزار و منابع سیستمی به طور مستقیم تعامل داشته باشند. در سیستم‌عامل لینوکس، این شامل درک مفاهیمی چون فرایندها، نخ‌ها، مدیریت حافظه، فایل‌سیستم‌ها، سوکت‌های شبکه و ارتباط بین فرایندی (IPC) است. با یادگیری این مفاهیم، شما قادر خواهید بود:

• نرم‌افزارهای کارآمد و بهینه‌تر بنویسید.
• سیستم‌ها را دیباگ و عیب‌یابی کنید.
• با درایورها و سخت‌افزارها تعامل برقرار کنید.
• نرم‌افزارهای شبکه‌ای پیچیده توسعه دهید.
• درک عمیق‌تری از نحوه عملکرد نرم‌افزارها در سطوح مختلف پیدا کنید.

این دوره به گونه‌ای طراحی شده است که شما را گام به گام از مفاهیم پایه تا تکنیک‌های پیشرفته برنامه‌نویسی سیستم در لینوکس راهنمایی کند. محتوای ارائه شده بر روی فلش مموری 32 گیگابایتی شامل:

• مقدمات لینوکس و خط فرمان: مرور ابزارهای ضروری خط فرمان، مدیریت فایل‌ها و دایرکتوری‌ها، و آشنایی با مفاهیم اولیه سیستم.
• مفاهیم پایه‌ای برنامه‌نویسی C: بازنگری بر روی انواع داده‌ها، توابع، اشاره‌گرها، و ساختارهای کنترلی در زبان C، که زبان اصلی برنامه‌نویسی سیستم در لینوکس است.
• فرایندها و مدیریت آن‌ها: یادگیری ایجاد فرایند جدید با استفاده از fork()، اجرای برنامه‌های دیگر با exec()، و مدیریت چرخه حیات فرایندها. درک کامل از PID، PPID و fork bomb.
• نخ‌ها (Threads) و همزمانی: آشنایی با مفهوم نخ‌ها، ایجاد و مدیریت نخ‌ها با استفاده از pthreads، و چالش‌های همزمانی مانند مسابقات داده (Data Races) و راه‌حل‌های آن (Mutexes، Semaphores).
• مدیریت حافظه: بررسی تکنیک‌های تخصیص حافظه پویا با malloc()، calloc()، realloc() و free()، و درک مکانیزم‌های مدیریت حافظه در لینوکس.
• فایل‌سیستم‌ها و عملیات ورودی/خروجی (I/O): کار با فایل‌ها از طریق APIهای سطح پایین (open()، read()، write()، close()) و APIهای سطح بالاتر (fopen()، fread()، fwrite()، fclose()).
• ارتباط بین فرایندی (IPC): تکنیک‌های مختلف ارتباط بین فرایندهای مستقل، شامل پایپ‌ها (Pipes)، صف‌های پیام (Message Queues)، حافظه مشترک (Shared Memory) و سوکت‌های سیگنال (Signals).
• شبکه‌سازی با سوکت‌های لینوکس: مبانی برنامه‌نویسی سوکت، ایجاد سرور و کلاینت TCP/IP، و اصول ارتباطات شبکه.
• کار با سیگنال‌ها: درک مفهوم سیگنال‌ها، نحوه ارسال و دریافت آن‌ها، و مدیریت سیگنال‌ها برای کنترل جریان برنامه.
• مفاهیم پیشرفته: آشنایی با موضوعاتی مانند epoll برای I/O غیر مسدودکننده (Non-blocking I/O)، mmap برای نگاشت حافظه فایل، و اصول اولیه اشکال‌زدایی با gdb.

پس از گذراندن این دوره، شما قادر خواهید بود:

• یک برنامه لینوکس را از ابتدا تا انتها طراحی و پیاده‌سازی کنید.
• از APIهای سیستمی لینوکس برای انجام وظایف مختلف استفاده نمایید.
• عملکرد برنامه‌های خود را برای استفاده بهینه از منابع سیستم (CPU، حافظه، I/O) تنظیم کنید.
• با مشکلات رایج در برنامه‌نویسی همزمان و موازی مقابله کرده و راه‌حل مناسبی بیابید.
• نرم‌افزارهای قابل اعتماد و مقیاس‌پذیر برای محیط لینوکس توسعه دهید.
• با ابزارهای توسعه، کامپایل، و اشکال‌زدایی در لینوکس به طور مؤثر کار کنید.

برای بهره‌مندی کامل از این دوره، داشتن دانش قبلی در زمینه‌های زیر توصیه می‌شود:

• آشنایی با زبان برنامه‌نویسی C: تسلط نسبی بر اصول اولیه زبان C ضروری است.
• مفاهیم پایه علوم کامپیوتر: آشنایی با الگوریتم‌ها، ساختار داده‌ها و مفاهیم سیستم‌عامل (مانند فرایند، حافظه).
• آشنایی اولیه با لینوکس: داشتن تجربه کار با محیط خط فرمان لینوکس مزیت محسوب می‌شود.

این دوره مزایای قابل توجهی را برای شما به ارمغان می‌آورد:

• یادگیری عملی: تمرین‌های عملی و پروژه‌های متعدد که به درک عمیق‌تر مفاهیم کمک می‌کنند.
• دسترسی آسان: ارائه مطالب بر روی یک فلش مموری 32 گیگابایتی، دسترسی سریع و بدون نیاز به اینترنت را فراهم می‌آورد.
• جامعیت: پوشش طیف وسیعی از موضوعات برنامه‌نویسی سیستم در لینوکس، از مبانی تا مباحث پیشرفته.
• کاربردی بودن: دانش کسب شده مستقیماً در پروژه‌های واقعی قابل استفاده است.
• افزایش ارزش شغلی: تسلط بر برنامه‌نویسی سیستم لینوکس، فرصت‌های شغلی در حوزه‌های توسعه نرم‌افزار، مهندسی سیستم، و DevOps را افزایش می‌دهد.

یکی از بخش‌های جذاب دوره، یادگیری نحوه ایجاد یک فرایند فرزند با استفاده از تابع fork() است. پس از فراخوانی fork()، دو فرایند (والد و فرزند) اجرا می‌شوند. مقدار بازگشتی از fork() در فرایند والد، شناسه فرایند فرزند (PID) و در فرایند فرزند، مقدار صفر است. این به شما امکان می‌دهد تا منطق متفاوتی را برای هر یک از فرایندها اجرا کنید.

کد نمونه (به زبان C):

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main() {
    pid_t pid;

    pid = fork(); // ایجاد فرایند جدید

    if (pid < 0) { // خطای fork
        fprintf(stderr, "Fork Failedn");
        return 1;
    } else if (pid == 0) { // فرایند فرزند
        printf("Hello from child process! My PID is %dn", getpid());
        // دستورات فرایند فرزند
    } else { // فرایند والد
        printf("Hello from parent process! My PID is %d and my child's PID is %dn", getpid(), pid);
        // دستورات فرایند والد
        wait(NULL); // منتظر اتمام فرایند فرزند می‌ماند
    }

    return 0;
}
    

این مثال نشان می‌دهد که چگونه می‌توانید به راحتی بین فرایند والد و فرزند تمایز قائل شوید و کدهای متفاوتی را برای هر کدام اجرا کنید. این اولین قدم در درک مدیریت فرایندها در لینوکس است.