Programmation Système en C sous Linux - Maîtriser les Bases

Ce cours couvre les fondamentaux de la programmation système en C sous Linux, en se concentrant sur les concepts essentiels pour développer des applications performantes et interactives dans un environnement Unix. Il aborde des thèmes clés tels que la gestion des processus (fork, exec), la programmation concurrente avec les threads POSIX et les mutex, ainsi que la manipulation des fichiers et répertoires. Les mécanismes de communication inter-processus, comme les tubes (pipes) et les signaux, sont également expliqués en détail, de même que la programmation réseau via les sockets TCP/IP. Destiné aux développeurs souhaitant maîtriser les interactions bas niveau avec le système d'exploitation, ce cours nécessite des prérequis en programmation shell sous Unix/Linux. Les sujets traités permettent de comprendre le parallélisme, la synchronisation entre processus et la communication réseau, essentiels pour des applications système robustes. Le contenu, structuré autour d'exemples pratiques, est adapté aux distributions Debian et Ubuntu, offrant une approche concrète pour la réalisation de programmes efficaces sous Linux.

Contenus explorés en détail

Ce cours approfondit la programmation système en C sous Linux, couvrant les concepts fondamentaux pour interagir directement avec le système d'exploitation. Les participants apprendront à manipuler les processus, les threads, les fichiers et les communications inter-processus.

• Maîtriser la création et la gestion des processus avec fork() et exec().
• Implémenter des threads POSIX et synchroniser les accès avec des mutex.
• Manipuler les fichiers et répertoires (lecture, écriture, exploration).
• Utiliser les tubes (pipes) pour la communication entre processus.
• Gérer les signaux et leurs handlers pour contrôler l'exécution des programmes.
• Développer des applications réseau avec les sockets TCP/IP.

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Ce cours s'adresse aux développeurs C intermédiaires ou avancés souhaitant approfondir leurs compétences en programmation système sous Linux. Il est idéal pour les ingénieurs logiciel, les administrateurs systèmes et les étudiants en informatique ayant des bases en programmation shell et en C. Une connaissance préalable des systèmes Unix/Linux est indispensable pour tirer pleinement profit du contenu.

Exemples pratiques et applications réelles

Les compétences acquises dans ce cours sont essentielles pour développer des outils système performants. Par exemple, la gestion des processus permet de créer des démons (services Linux), tandis que les threads optimisent les applications multi-cœurs. Les sockets TCP/IP sont utilisés pour concevoir des serveurs web ou des clients réseau. Un cas concret serait un script de surveillance système qui utilise des signaux pour interrompre ou relancer des processus défaillants.

Secteurs d'application professionnelle

• Développement embarqué : Programmer des dispositifs IoT avec des contraintes matérielles strictes (ex. : pilotes Linux pour Raspberry Pi).
• Sécurité informatique : Analyser les vulnérabilités des processus et des communications inter-processus (ex. : outils comme strace).
• Cloud et virtualisation : Optimiser la gestion des ressources dans les conteneurs Docker (ex. : isolation des processus avec cgroups).

Nouveauté 2025 : L'essor des architectures serverless accentue le besoin de maîtriser les appels système pour optimiser les fonctions exécutées à la demande.

Guide des termes importants

• Fork : Crée un nouveau processus identique au parent, utilisé pour paralléliser des tâches.
• Mutex : Mécanisme de synchronisation pour éviter les conflits d'accès aux ressources partagées entre threads.
• Pipe : Canal de communication unidirectionnel entre processus.
• Signal : Notification asynchrone envoyée à un processus pour interrompre son exécution (ex. : SIGKILL).
• Socket : Point de communication réseau pour échanger des données via TCP/IP.
• Daemon : Processus système s'exécutant en arrière-plan (ex. : serveurs web).
• Syscall : Appel direct au noyau Linux pour effectuer une opération privilégiée.
• Thread-safe : Code capable de s'exécuter correctement malgré un accès concurrent par plusieurs threads.
• Inode : Structure de données Unix/Linux stockant les métadonnées d'un fichier.
• Polling : Surveillance active d'un état (ex. : vérification périodique d'un socket).

Réponses aux questions fréquentes

Quelle est la différence entre un processus et un thread ?
Un processus est une instance indépendante d'un programme avec son propre espace mémoire, tandis qu'un thread est une unité d'exécution légère partageant les ressources de son processus parent.

Comment créer un démon en C sous Linux ?
Il faut utiliser fork() pour se détacher du terminal, configurer le masque de fichiers, et rediriger les entrées/sorties standards vers /dev/null.

À quoi servent les mutex en programmation système ?
Ils évitent les race conditions en verrouillant l'accès aux ressources partagées entre threads.

Comment communiquer entre deux machines avec des sockets ?
Un serveur crée un socket avec socket(), l'attache à un port (bind()), écoute (listen()), et accepte les connexions (accept()). Le client se connecte via connect().

Pourquoi utiliser des signaux dans un programme ?
Pour gérer des événements asynchrones comme l'interruption utilisateur (SIGINT) ou la terminaison propre d'un processus (SIGTERM).

Exercices appliqués et études de cas

Projet 1 : Mini-shell Linux
Étapes : 1. Implémenter la lecture de commandes utilisateur. 2. Ajouter la gestion des processus via fork() et exec(). 3. Intégrer les pipes pour chaîner les commandes (ex. : ls | grep "txt"). 4. Gérer les signaux comme CTRL+C.

Projet 2 : Serveur HTTP basique
Étapes : 1. Créer un socket TCP écoutant sur le port 8080. 2. Accepter les connexions clients et parser les requêtes HTTP. 3. Renvoyer des réponses statiques (ex. : fichier HTML). 4. Ajouter le support des threads pour gérer plusieurs clients simultanément.

Projet 3 : Surveillance de processus
Étapes : 1. Lister les processus en cours avec /proc. 2. Détecter les processus zombies via waitpid(). 3. Envoyer un rapport par email avec libcurl.