Linux系统调用编程

1.Linux下进程和线程

进程

进程是系统分配资源的基本单位。每个进程都拥有独立的地址空间、内存、数据栈等系统资源

进程之间通过IPC（进程间通信）机制进行通信和数据共享

进程是程序的一次执行过程，它包含了程序代码、数据和系统资源（如打开的文件、网络连接等）

在Linux中，进程由进程ID（PID）唯一标识

线程

线程是CPU调度的基本单位。线程共享进程的资源，包括代码段、数据段、堆等，但每个线程拥有自己的栈和程序计数器

线程之间共享进程的资源，这使得线程间的通信和数据共享变得相对简单

线程的主要优点是并发执行和共享资源，可以充分利用多核CPU的并行处理能力

在Linux中，线程通常是通过pthread库来创建和管理的

区别

	进程	线程
资源占用	拥有独立的资源空间	共享进程的资源
并发性	多个线程可以在同一个进程中并发执行	多个进程则需要通过IPC进行通信和协调
独立性	进程之间是完全独立的，一个进程的崩溃不会影响其他进程	线程共享进程的资源，一个线程的崩溃可能导致整个进程的崩溃
通信方式	通常需要使用系统调用或网络等机制	可以通过共享内存或全局变量等方式实现

查看进程pid

命令：

ps -a 

终止进程pid

命令：

kill <PID>

2.Linux虚拟内存管理与stm32内存映射

设计目标与架构差异

	Linux虚拟内存管理	STM32物理内存映射	技术原理与引用来源
目标	实现多任务隔离、动态内存扩展及安全性，支持进程独立地址空间和内存超量分配（交换空间）	为实时嵌入式系统提供确定性响应，直接控制硬件资源（如外设寄存器、SRAM）	Linux面向通用计算场景，需处理复杂调度；STM32面向实时控制，资源固定且无需动态扩展
硬件依赖	必须依赖MMU（内存管理单元）实现虚拟地址转换	无MMU支持，直接通过总线访问物理地址	MMU通过页表实现虚拟→物理地址映射；STM32的Cortex-M系列CPU直接操作物理地址

地址空间管理机制对比

	Linux虚拟内存管理	STM32物理内存映射
地址转换	通过多级页表（如四级页表）和TLB缓存完成虚拟→物理地址转换	无地址转换，外设/存储器通过固定地址直接访问（如Flash起始于0x08000000，SRAM起始于0x20000000）
内存分配	动态分页：按需分配物理内存（如malloc触发缺页中断），支持交换空间（Swap）扩展可用内存	静态预分配：芯片设计时固定地址映射，无法动态扩展或重新分配
资源隔离	进程间完全隔离，通过页表权限位（读/写/执行）保护内存	无隔离机制，所有代码共享同一物理地址空间

内存使用与性能特性

	Linux虚拟内存管理	STM32物理内存映射
访问延迟	存在地址转换开销（TLB未命中时需查页表），但可通过预取和缓存优化	零转换延迟，直接访问物理地址（适用于实时控制）
内存共享	支持进程间共享内存（如mmap映射共享库），需同步机制	通过全局变量或硬件寄存器直接共享数据，无同步层但需开发者保证原子性
错误处理	缺页中断（Page Fault）自动加载数据到物理内存，崩溃仅影响当前进程	非法地址访问直接导致硬件错误（HardFault），可能引发系统复位

3.Linux系统调用函数

fork()

功能：复制当前进程（父进程），生成一个几乎完全相同的子进程。

执行流程：

• 父进程调用fork()后，内核创建子进程。

• 子进程继承父进程的代码段、数据段、堆栈、文件描述符等资源。

• 父子进程从fork()返回后开始并发执行，但拥有独立的地址空间。

  在 Linux 系统下使用 CMake 编译调用 fork 函数程序的完整步骤，结合*CMake 配置和 系统调用实现，具体流程如下：

  1.创建一个 main.c 文件，内容如下：

  #include <stdio.h>
  #include <unistd.h>  // 包含 fork 系统调用的头文件
  
  int main() {
      pid_t pid = fork();  // 创建子进程
  
      if (pid < 0) {
          perror("fork 失败");
          return 1;
      } else if (pid == 0) {
          // 子进程代码
          printf("子进程 PID = %d (父进程 PID = %d)\n", getpid(), getppid());
      } else {
          // 父进程代码
          printf("父进程 PID = %d (子进程 PID = %d)\n", getpid(), pid);
      }
      return 0;
  }
  

  2.在项目根目录下创建 CMakeLists.txt，内容如下：

  cmake_minimum_required(VERSION 3.10)  # 最低 CMake 版本要求
  project(ForkDemo)                     # 项目名称
  
  # 添加可执行文件
  add_executable(fork_demo main.c)
  
  # 设置 C 标准（可选）
  set(CMAKE_C_STANDARD 11)
  

  3.构建与编译

  创建构建目录并生成 Makefile：

  mkdir build && cd build
  cmake ..   # 生成 Makefile 和其他构建文件
  

  编译程序：

  make       # 生成可执行文件 fork_demo
  

  执行：

  ./fork_demo
  

  结果如下：

wait()

• 功能：父进程阻塞等待任意子进程终止，并回收其资源（避免僵尸进程）。

• 补充：waitpid()可指定等待特定子进程或非阻塞模式

  1.创建一个 fork_wait.c 文件，内容如下：

  #include <stdio.h>
  #include <unistd.h>
  #include <sys/wait.h>  // 必须包含此头文件以使用 wait()
  
  int main() {
      pid_t pid = fork();
  
      if (pid < 0) {
          perror("fork 失败");
          return 1;
      } else if (pid == 0) {
          // 子进程执行任务
          printf("子进程 PID = %d\n", getpid());
          sleep(2);  // 模拟耗时操作
          printf("子进程结束\n");
      } else {
          // 父进程等待子进程结束
          printf("父进程 PID = %d，等待子进程 %d...\n", getpid(), pid);
          int status;
          wait(&status);  // 阻塞等待子进程结束
          printf("子进程退出状态: %d\n", WEXITSTATUS(status));
      }
      return 0;
  }
  

  2.在相同目录下创建 Makefile，内容如下：

  # 定义编译器和编译选项
  CC = gcc
  CFLAGS = -Wall -Wextra -std=c11
  
  # 定义目标可执行文件名和源文件
  TARGET = fork_wait_demo
  SRC = fork_wait.c
  
  # 默认目标
  all: $(TARGET)
  
  # 编译规则
  $(TARGET): $(SRC)
  	$(CC) $(CFLAGS) -o $@ $^
  
  # 清理生成的文件
  clean:
  	rm -f $(TARGET)
  
  # 伪目标声明（避免与同名文件冲突）
  .PHONY: all clean
  

  3.编译与运行

  编译程序：

  make  # 自动执行 Makefile 中的 all 目标
  

  运行程序：

  ./fork_wait_demo
  

  

exec()

功能：替换当前进程的代码段，加载并执行一个新程序。

• 调用成功后，原进程的代码被新程序覆盖，但PID不变。

• 若失败，返回-1并保留原进程继续执行。

  gcc 命令行编译

  1.创建一个名为 fork_exec.c 的文件，并将代码写入：

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        // 子进程执行 ls -l
        execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);
        perror("exec failed"); // 若 exec 失败才会执行
        return 1;
    }
    return 0;
}

​ 2.使用 GCC 编译代码，生成可执行文件 fork_demo

gcc -o fork_demo fork_exec.c

​ 3.执行生成的可执行文件：

./fork_demo

4.树莓派环境下练习

创建账号

通过putty连接

ssh pi@<ip地址>
比如我的是：ssh pi@192.168.12.250

1创建用户账号

使用adduser命令创建用户

sudo adduser username  # 替换username为组员用户名

• 执行后会提示设置密码及用户信息（非必填项可直接回车跳过）

• 默认自动生成同名主目录 /home/username

  

2.配置用户权限

1. 加入必要用户组（如sudo组赋予管理员权限）

   sudo usermod -aG sudo username  # 将用户加入sudo组
   sudo usermod -aG adm,dialout,plugdev  username  # 加入常用硬件访问组
   

2. 验证用户权限：

   id username  # 查看用户所属组[6](@ref)
   groups username  # 列出用户所有附加组
   

3.查看用户

通过 compgen 命令直接生成系统已知的用户名列表：

compgen -u

登录自己的账号进行练习

1. 安装GCC编译器

在树莓派Ubuntu系统中，默认可能未安装GCC。需通过以下命令安装：

sudo apt update
sudo apt install build-essential

此命令会安装GCC及编译所需的工具链（如make、g++等）

2. 编写包含fork()的C程序

在home目录下创建文件（例如fork_demo.c），编写代码：

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

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid < 0) {
        fprintf(stderr, "Fork失败\n");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        printf("子进程ID: %d\n", getpid());
    } else {
        printf("父进程ID: %d，子进程ID: %d\n", getpid(), pid);
    }
    return 0;
}

3. 使用GCC编译

gcc -o fork_demo fork_demo.c

4. 运行程序

./fork_demo

参考链接：

Linux下进程和线程

Linux 内存管理 详解（虚拟内存、物理内存，进程地址空间）

Linux内存管理：深度解析与探索

一起玩儿树莓派——07 用户的创建、删除及其他相关命令

putty的复制和粘贴