Linux系统调用编程

一、进程和线程

进程：进程是程序的执行实例，是操作系统分配资源（CPU、内存、文件等）的基本单位。每个进程拥有独立的地址空间和系统资源。一个进程可以有多个线程，比如在Windows系统中，一个运行的xx.exe就是一个进程。

线程：线程是进程内的执行单元，是CPU调度的基本单位。一个进程可包含多个线程，所有线程共享进程的资源（如内存、文件）。如浏览器的一个标签页可能用一个线程加载页面，另一个线程处理用户输入。
在Linux虚拟机下查看进程
使用命令：ps -a

终止进程：kill 进程号

二、Linux的虚拟内存管理和stm32的真实物理内存

Linux虚拟内存管理

虚拟地址空间：每个进程拥有独立的虚拟地址空间（通常为4GB或更大），由**内存管理单元（MMU）**动态映射到物理内存或磁盘交换空间。
分页机制：物理内存被划分为固定大小的页（如4KB），虚拟地址通过页表转换到物理页帧。未使用的页可被换出到磁盘（Swap）。

内存保护：不同进程的内存空间隔离，防止非法访问（如写只读页会触发段错误）。

按需分配：内存分配延迟到实际使用时（如malloc申请内存后，物理页在首次访问时才分配）。

共享内存：多个进程可通过虚拟内存映射共享同一物理内存（如动态库）。

STM32物理内存映射

直接访问物理地址：程序直接操作物理内存和外设寄存器，无地址转换层（通常无MMU）。

静态内存布局：内存和外设的地址在芯片设计时固定（如Flash、SRAM、GPIO寄存器的地址在数据手册中定义）。

确定性访问：无分页或交换机制，内存访问延迟固定，适合实时性要求高的场景。

手动管理：开发者需自行规划内存使用（如静态分配或简单动态分配）。

2. 主要区别

特性	Linux虚拟内存	STM32物理内存映射
地址空间	虚拟地址（由MMU转换）	直接使用物理地址
硬件支持	依赖MMU实现地址转换和保护	无MMU，可能支持MPU（仅内存保护）
内存隔离	进程间隔离，防止越界访问	无隔离，需开发者保证正确性
多任务支持	通过虚拟内存实现进程独立地址空间	需RTOS配合（如FreeRTOS）或裸机调度
动态内存分配	灵活（如malloc+缺页中断）	通常静态分配或简单堆管理（易碎片化）
交换空间	支持磁盘交换扩展可用内存	无交换，受限于物理内存大小
外设访问	通过内核驱动（如mmap映射到用户空间）	直接读写外设寄存器地址
实时性	不确定（因页错误或交换延迟）	确定性的低延迟访问

三、Linux系统调用函数 fork()、wait()、exec()

1. fork()：创建子进程

功能：复制当前进程，生成一个几乎完全相同的子进程（包括代码、数据、堆栈、文件描述符等）。
子进程从 fork() 的返回处开始执行，与父进程并发运行。
关键特性

返回值	含义
>0	父进程中返回子进程PID
0	子进程中返回0
-1	调用失败

写时复制（Copy-On-Write, COW）
父子进程共享物理内存，直到任一进程尝试修改数据时才会复制内存页，提高效率。
示例代码

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork failed");return 1;} else if (pid == 0) {printf("子进程 (PID: %d)\n", getpid());} else {printf("父进程 (Child PID: %d)\n", pid);}return 0;
}

2. wait()：等待子进程状态改变

功能
阻塞父进程，直到某个子进程终止或收到信号。
回收子进程资源（避免僵尸进程）。
常用函数
wait(int *status)：等待任意子进程结束，状态存入 status。
waitpid(pid_t pid, int *status, int options)：
可指定等待的子进程PID（pid=-1 表示任意子进程），支持非阻塞选项（如 WNOHANG）。

状态宏（检查子进程退出原因）：
WIFEXITED(status)：子进程正常退出。
WEXITSTATUS(status)：获取子进程退出码。
WIFSIGNALED(status)：子进程被信号终止。
示例代码

#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid == 0) {printf("子进程存在...\n");_exit(42);  // 子进程退出码42} else {int status;wait(&status);if (WIFEXITED(status)) {printf("子进程存在码 %d\n", WEXITSTATUS(status));}}return 0;
}

3. exec()：替换进程映像

功能
加载新程序到当前进程的内存空间，替换原有代码、数据、堆栈等。
调用成功后，原进程的代码不再执行（除非 exec() 失败）。
常用函数（参数传递方式不同）：

函数	参数格式	示例
execl()	可变参数列表（NULL结尾）	execl(“/bin/ls”, “ls”, “-l”, NULL)
execv()	字符串数组（argv风格）	char *args[] = {“ls”, “-l”, NULL}; execv(“/bin/ls”, args)
execvp()	自动搜索 PATH 环境变量	execvp(“ls”, args)

关键特性
无返回值：成功时不返回，失败时返回 -1（需检查错误）。
保留的文件描述符：默认保持打开（可通过 fcntl 设置 FD_CLOEXEC 关闭）。
示例代码

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);  // 替换为执行 `ls -l`perror("exec 失败");  // 仅当exec失败时执行return 1;
}

综合应用

//C程序来说明fork（）的用法&
//exec（）系统调用以创建进程#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <sys/wait.h>int main(){
pid_t pid;
int ret = 1;
int status;
pid = fork();if (pid == -1){// pid == -1 表示发生了错误printf("can't fork, error occured\n");exit(EXIT_FAILURE);
}
else if (pid == 0){// pid == 0 表示创建了子进程// getpid() 返回调用进程的进程id// 返回子进程的进程idprintf("child process, pid = %u\n",getpid());// 返回子进程的父进程，即父进程本身printf("parent of child process, pid = %u\n",getppid());// argv list第一个参数应该指向// 与正在执行的文件关联的文件名// 数组指针必须以NULL结尾// 指针char * argv_list[] = {"ls","-lart","/home",NULL};// execv（）仅在发生错误时返回。// 返回值为-1execv("ls",argv_list);exit(0);
}
else{// 为pid返回一个正数// 父进程// getppid（）返回进程的父进程id// 调用进程// 返回父进程ID的父进程printf("Parent Of parent process, pid = %u\n",getppid());printf("parent process, pid = %u\n",getpid());// 父进程对子进程调用waitpid（）// waitpid（）系统调用暂停// 调用进程直到pid指定的子进程// 状态改变// 有关所有标志或选项，请参见wait（）手册if (waitpid(pid, &status, 0) > 0) {if (WIFEXITED(status) && !WEXITSTATUS(status))printf("program execution successful\n");else if (WIFEXITED(status) && WEXITSTATUS(status)) {if (WEXITSTATUS(status) == 127) {// execv failedprintf("execv failed\n");}elseprintf("program terminated normally,"" but returned a non-zero status\n");}elseprintf("program didn't terminate normally\n");}else {// waitpid() failedprintf("waitpid() failed\n");}exit(0);
}
return 0;
}

运行效果：

四、总结

本次学习了进程和线程、虚拟内存管理、系统函数fork()、wait()、exec()的相关知识以及在Linux虚拟机上的基本使用。

参考链接：1.Linux下的fork和exec函数
2.探索 Linux 编程基础 深入理解 fork 函数的实现原理与实践应用
3.详解Linux中的fork，exec，wait
4.添加进程和线程的区别(超详细)