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Linux系统调用编程

news 来源：原创 2025/9/5 19:54:22

- 1.Linux下进程和线程
- - 进程
  - 线程
  - 区别
  - 查看进程pid
  - 终止进程pid
- 2.Linux虚拟内存管理与stm32内存映射
- - 设计目标与架构差异
  - 地址空间管理机制对比
  - 内存使用与性能特性
- 3.Linux系统调用函数
- - fork()
  - wait()
  - exec()
- 4.树莓派环境下练习
- - 创建账号
  - - 1创建用户账号
    - 2.配置用户权限
    - 3.查看用户
  - 登录自己的账号进行练习
  - - 1. 安装GCC编译器
    - 2. 编写包含`fork()`的C程序
    - 3. 使用GCC编译
    - 4. 运行程序

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 -lexecl("/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

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

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

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HCIP【BGP协议（详解）】

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编程日记 2025/9/3 12:00:51

集合与容器：List、HashMap（II）

一、ArrayList 是集合框架中最核心的动态数组实现，高频使用的容器之一。 1. 核心数据结构基于数组实现，维护elementData数组存储元素： transient修饰的elementData不会被默认序列化（通过自定义序列化逻辑优化存储）…...

编程日记 2025/8/27 15:23:05

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