[OS] 终端控制（Terminal Control）& 暂停执行线程（Suspend Executing Thread）

7. 终端控制（Terminal Control）

在终端中打印信息时，我们可以使用 ANSI 转义序列来控制光标的位置、清除屏幕等操作。\033 是转义字符，用于引导 ANSI 控制码来控制终端显示。可以将它理解为“命令前缀”，后面跟着具体的指令代码来控制终端的行为。

7.1 示例代码：使用 \033 控制终端光标和屏幕

以下是一个示例代码，展示如何使用 \033 来清屏、控制光标位置，并在屏幕上打印信息。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    int isStop;

    // 清屏
    printf("\033[2J");

    // 在不同位置打印信息
    for (isStop = 1; isStop < 11; isStop++) {
        // 设置光标位置：移动到 (11 - isStop) 行的第 10 列
        printf("\033[%d;10H", (11 - isStop));
        printf("Printing within loop %d!\n", isStop);
        sleep(1);  // 等待 1 秒
    }

    // 移动光标到左上角并清除屏幕
    printf("\033[H\033[2J");

    return 0;
}

代码解释

1. 清除屏幕：

   • printf("\033[2J");
     • \033[2J：清除整个屏幕。\033 是转义字符，[2J 是清除屏幕的命令。

2. 设置光标位置并打印信息：

   • printf("\033[%d;10H", (11 - isStop));
     • \033[%d;10H：将光标移动到指定的位置。
     • %d 表示行号，这里 (11 - isStop) 是动态计算行号，10 是列号。这样可以让打印的信息从屏幕的第 11 行开始依次向上打印。

3. 等待：

   • sleep(1);
     • 通过 sleep(1) 使程序在每次循环时等待 1 秒，这样每次打印可以有明显的时间间隔。

4. 结束时再次清屏：

   • printf("\033[H\033[2J");
     • \033[H：将光标移动到屏幕的左上角（第 1 行，第 1 列）。
     • \033[2J：清除整个屏幕。

输出效果

当运行这个程序时，你会看到以下行为：

1. 程序开始时，屏幕会被清除。
2. 在每次循环中，程序会将光标定位到一个新的位置（行号逐渐减小，但列号保持不变），并打印信息。例如：

   Printing within loop 1! Printing within loop 2! ...

   信息每次会从屏幕的不同位置打印，每次向上移动一行。
3. 每次打印后会等待 1 秒，这样可以看到打印过程是逐行向上的。
4. 循环结束后，屏幕会再次被清除。

\033 控制序列的常用命令

• \033[H：将光标移动到屏幕左上角（第 1 行，第 1 列）。
• \033[2J：清除屏幕内容。
• \033[n;mf：设置文本颜色，其中 n 是颜色代码。
  • 例如：\033[31m 将文本设置为红色。
• \033[nA：将光标向上移动 n 行。
• \033[nB：将光标向下移动 n 行。
• \033[nC：将光标向右移动 n 列。
• \033[nD：将光标向左移动 n 列。

通俗解释

可以把使用 \033 控制终端显示比作是写黑板时控制粉笔的位置。\033 是控制粉笔移动的指令，通过指定行和列的坐标来移动粉笔，让它在指定的位置书写。

在终端应用中，这种控制非常有用，例如：

• 实现命令行界面中的进度条。
• 更新输出的状态信息而不清屏。
• 实现动态显示的内容，比如一个简单的文本游戏或用户交互的应用程序。

为什么需要这些控制字符？

• 动态输出：使用控制字符可以实现屏幕上信息的动态更新，而不是每次都打印新的内容。这对于游戏、实时监控程序等非常有用。
• 改善用户体验：可以避免在终端中打印过多信息，让输出更加有条理。通过控制光标位置，可以实现更直观的输出形式，例如进度条、状态更新等。

示例应用场景

• 游戏：像贪吃蛇这样的终端游戏，可以使用光标控制来实现蛇的移动，而不是不断刷新整个屏幕。
• 实时监控：在显示一些实时数据（如 CPU 使用率、内存占用等）时，可以直接在原来的位置更新数据，而不是一行一行地追加输出。
• 命令行界面：例如用于选择菜单选项、进度指示器等。

总结

• \033 是 ANSI 控制序列的起始符号，用于向终端发送控制命令。
• 通过使用 控制字符，可以更好地控制终端上的光标位置、文本颜色、清屏等功能，从而实现更复杂的显示效果。
• 使用这些控制字符可以使终端程序更加交互和友好，在开发游戏、监控工具、动态显示工具时非常有用。

8. 暂停执行线程（Suspend Executing Thread）

usleep(useconds_t usec) 函数用于暂停线程的执行，单位是微秒。它可以让线程暂停指定的时间，然后再继续执行。这种功能非常有用，例如控制任务的执行节奏或使线程在等待某些条件时休眠。

• usleep()：用于暂停调用线程指定的微秒数（1 秒 = 1,000,000 微秒）。
• sleep()：用于暂停线程指定的秒数。
• nanosleep()：用于以纳秒精度指定休眠时间。适合需要更高精度的时间控制的场合。

8.1 示例代码：使用 usleep()、sleep()

以下是一个简单的示例，展示如何使用 sleep() 和 usleep() 来控制程序的执行。

示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    // 使用 sleep() 函数暂停程序执行 5 秒
    printf("Sleep program for 5 seconds\n");
    sleep(5);

    // 使用 usleep() 函数暂停程序执行 1000000 微秒（即 1 秒）
    printf("Sleep program for 1000000 microseconds (1 second)\n");
    usleep(1000000);

    // 程序结束
    printf("Program finished\n");

    return 0;
}

代码解释

1. sleep() 函数：

   • sleep(5)：使当前线程暂停 5 秒，然后继续执行后续代码。
   • 作用：在执行某些任务之前强制等待一定的时间，这对需要做定时延迟的操作非常有用。

2. usleep() 函数：

   • usleep(1000000)：使当前线程暂停 1,000,000 微秒，即 1 秒。
   • 作用：提供比 sleep() 更高精度的延迟功能，可以精确到微秒级别。
   • 需要注意的是，usleep() 精度较高，但具体暂停时间可能会受到系统的活动和计时器粒度的影响，因此有可能比设定的时间稍长。

3. 输出：

   Sleep program for 5 seconds
   Sleep program for 1000000 microseconds (1 second)
   Program finished
   

4. • 程序首先等待 5 秒，然后输出第二行信息，再等待 1 秒，最后输出结束信息。

usleep()、sleep() 和 nanosleep() 的区别

1. sleep(seconds)：

   • 暂停线程指定的秒数。
   • 适用场合：适合需要较长时间延迟（例如秒级别）的场合。

2. usleep(useconds_t usec)：

   • 暂停线程指定的微秒数。
   • 适用场合：适合需要比 sleep() 更精细的延迟控制，比如毫秒级的等待。

3. nanosleep()：

   • 允许用户以纳秒精度指定休眠时间，适合需要更高精度的时间控制。
   • 它的函数声明是：

     int nanosleep(const struct timespec *req, struct timespec *rem);
     

1. • 参数：
     • req：指定需要暂停的时间，包含秒和纳秒。
     • rem：如果休眠被中断，则返回剩余的休眠时间。

usleep() 的使用场景

1. 多线程中的延迟：

   • 在多线程编程中，线程之间可能需要一些延迟来防止资源竞争，usleep() 可以让线程在执行任务之间休眠一些时间，从而降低 CPU 占用并减少资源争用。

2. 游戏循环和动画：

   • 在简单的游戏开发中，可以使用 usleep() 来控制帧率，确保每一帧之间有一个固定的时间间隔，从而实现平滑的动画效果。

3. 定时任务：

   • 在编写定时任务时，可以使用 usleep() 或 sleep() 来定时地执行某些操作，例如每隔 1 秒采集一次传感器数据。

代码应用场景

• 在很多应用场合中，线程之间的任务执行需要有一个节奏，不是所有的任务都需要立即连续地执行。例如，在对某个传感器进行定时读取时，可能每隔 500 毫秒读取一次数据，使用 usleep(500000) 就可以方便地实现这样的功能。

• 在多线程应用中，usleep() 可以用来暂时暂停当前线程的执行，以便其他线程有机会运行。例如，一个线程在等待某些资源可用时可以通过 usleep() 暂时休眠，以避免反复轮询导致 CPU 资源的浪费。

注意事项

1. 精度限制：

   • 尽管 usleep() 提供微秒级的控制，但具体的延迟时间可能会因系统负载等原因而稍长。对于需要非常精确的计时任务，可能需要更复杂的同步机制。

2. 系统调用影响：

   • 在一些系统中，调用 usleep() 可能会受到系统定时器的粒度影响。如果需要非常精确的延迟控制，建议使用 nanosleep()。

nanosleep() 示例

以下是一个使用 nanosleep() 的简单示例，用于精确控制线程暂停的时间。

#include <stdio.h>
#include <time.h>

int main() {
    struct timespec ts;
    ts.tv_sec = 0;          // 秒数部分
    ts.tv_nsec = 500000000; // 纳秒部分（0.5 秒）

    printf("Sleeping for 0.5 seconds...\n");
    nanosleep(&ts, NULL);
    printf("Wake up after 0.5 seconds\n");

    return 0;
}

总结

• sleep()、usleep() 和 nanosleep() 都是用于暂停线程执行的函数，适用于不同精度的时间控制。
• usleep() 提供微秒级的延迟控制，在多线程和定时任务中非常有用。
• nanosleep() 提供纳秒级的控制，适合需要高精度延迟的任务。
• 这些函数在需要控制任务执行节奏、避免资源争用或实现实时响应时非常有用。