嵌入式——Linux系统的使用以及编程练习

news2025/5/15 13:34:11

目录

一、Linux的进程、线程概念

（一）命令控制进程

1、命令查看各进程的编号pid

2、命令终止一个进程pid

二、初识Linux系统的虚拟机内存管理

（一）虚拟机内存管理

（二）与STM32内存管理对比

三、Linux调用函数编程

具体操作：

四、总结

一、Linux的进程、线程概念

Linux中的进程（Process）和线程（Thread）是操作系统进行任务调度的核心概念。

  • 进程是资源分配的基本单位，每个进程拥有独立的内存空间、文件描述符等系统资源。进程之间相互隔离，需通过进程间通信（IPC）交换数据。
  • 线程是进程内的执行单元，属于同一进程的多个线程共享进程的内存和资源（如代码段、全局变量）。线程独立调度，切换开销小，适合需要并发执行的场景。

         在Linux中，线程通过轻量级进程（Lightweight Process, LWP）实现，底层由clone()系统调用创建。内核使用task_struct结构统一管理进程和线程，区别在于资源共享程度：线程属于同一线程组（TGID相同），共享内存；而不同进程的TGID不同，资源独立。

（一）命令控制进程

        如表为部分控制进程二点命令，但是此处我们着重操作查看进程编号和终止进程

分类命令功能描述
查看进程信息ps列出当前进程快照
top / htop动态监控进程资源占用
终止进程kill通过PID发送信息终止进程
killall通过进程名批量终止
调整优先级nice启动新进程时设置优先级（范围：-20~19）
renice修改已运行进程的优先级
后台进程管理nohup忽略挂断信号，使进程在终端关闭后仍运行
jobs/fg/bg管理当前终端的后台作业

1、命令查看各进程的编号pid

        进程编号（PID）是Linux内核为每个运行中的进程分配的唯一数字标识。通过PID，用户可以精准定位目标进程并对其进行管理。以下命令可用于快速获取当前系统中的进程信息：

查看进程此处我用的指令是：

ps -a

则会显示出如下图所示结果：

2、命令终止一个进程pid

        当进程出现异常或需要主动释放资源时，可通过发送终止信号（Signal）强制结束进程。Linux提供多种信号类型，默认使用SIGTERM（15）请求进程正常退出，若未响应可升级至SIGKILL（9）强制终止。

        此处要达到终止一个进程的效果，我们可以先创建一个新的进程，再强制终止，步骤如下：

  • 启动测试进程：
sleep 300 &  # 后台运行一个休眠300秒的进程
  • 查找其PID：
ps -a | grep sleep

  • 终止进程
kill 1936

二、初识Linux系统的虚拟机内存管理

（一）虚拟机内存管理

        Linux内存管理通过虚拟内存和分页技术为进程提供独立地址空间，由MMU通过页表映射至物理内存或Swap。采用按需分页，访问时触发缺页中断分配内存；内存不足时通过LRU等算法换出非活跃页，由kswapd回收资源，极端时OOM Killer终止进程。写时复制优化进程创建效率。该机制确保进程隔离、内存高效利用及动态扩展能力

（二）与STM32内存管理对比

        Linux的虚拟内存管理与STM32的真实物理内存映射在设计理念和应用场景上有显著区别，主要体现在以下几个方面：

  1. 地址隔离与抽象
    Linux通过MMU将虚拟地址映射到物理内存，实现进程间内存隔离；STM32直接操作物理地址，无隔离，需手动管理布局，易因越界操作崩溃。

  2. 保护与扩展能力
    Linux利用页表权限和Swap扩展内存，防御攻击；STM32依赖有限MPU保护关键区，无动态扩展，内存严格受限。

  3. 实时性与开销
    STM32物理内存访问确定、无转换延迟，适合实时控制；Linux可能因页错误或Swap引入延迟，且MMU管理消耗资源。

  4. 开发模式
    Linux自动管理内存，简化开发；STM32需手动分配内存/外设，底层控制强但易出错。

三、Linux调用函数编程

        接下来我们将熟悉通过虚拟机在Linux系统中编写c语言程序，熟练调用 fork()、wait()、exec() 等函数。首先我们了解一下上述几个函数的含义：

1、fork( )：创建子进程

  • 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。

  • 特点：

    • 调用一次，返回两次：父进程返回子进程的 PID（进程标识符），子进程返回 0。

    • 子进程继承父进程的代码、数据段、堆栈和文件描述符等资源。

2、wait( ） ：回收子进程资源

  • 功能：父进程阻塞等待子进程终止，并回收其资源

  • 特点：

    • wait(NULL) 等待任意子进程结束；waitpid( ) 可指定等待特定子进程。

    • 通过参数获取子进程退出状态。

3、exec( )执行新程序

  • 功能：加载并运行一个新的可执行程序，替换当前进程的代码和数据。

  • 特点：

    • 属于函数族，参数传递方式不同。

    • 调用成功后，原进程的代码段、数据段等被新程序完全覆盖，但进程 PID 不变。

具体操作：

1、打开XTerminal

登录我们老师分配的阿里云服务器Ubuntu系统的账号，进入终端

2、通过命令创建Homework文件夹

mkdir ~/homework && cd ~/homework

3、在homework文件夹中通过vi命令创建C语言文件并写入测试代码

vi example.c

测试代码：

#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

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

    if (pid == -1) {
        perror("fork失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程执行ls -l
        printf("子进程PID: %d\n", getpid());
        execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);
        // 若execl失败，执行以下代码
        perror("execl失败");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else {
        // 父进程等待子进程
        printf("父进程，等待子进程PID: %d\n", pid);
        int status;
        wait(&status);
        if (WIFEXITED(status)) {
            printf("子进程退出码: %d\n", WEXITSTATUS(status));
        }
        printf("父进程结束\n");
    }
    return 0;
}

代码分析：

（1）使用 fork( ) 创建子进程

pid_t pid = fork();
  • 调用fork( )创建一个新进程（子进程）。

（2）错误处理：fork失败

if (pid == -1) {
    perror("fork失败");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

  • 如果fork( ) 失败（返回 -1），打印错误信息并终止程序。

（3）子进程逻辑

else if (pid == 0) {
    // 子进程代码
    printf("子进程PID: %d\n", getpid());
    execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);
    perror("execl失败");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
  • 子进程通过getid( )获取自身PID并打印，随后调用execl("/bin/ls","ls","-l",NULL)执行ls -1命令，若路径或参数错误则通过perror( )输出错误信息并调用exit(1)终止自身。

（4）父进程逻辑

else {
    // 父进程代码
    printf("父进程，等待子进程PID: %d\n", pid);
    int status;
    wait(&status);
    if (WIFEXITED(status)) {
        printf("子进程退出码: %d\n", WEXITSTATUS(status));
    }
    printf("父进程结束\n");
}
  • 父进程通过wait(&status)阻塞等待子进程终止，检查其是否正常退出（WIFEXITED），获取退出码（WEXITSTATUS），最后打印父进程结束信息。

4、对编辑好的文件保存并退出

        在下方的对话框中输入如下指令则可进行对应操作

（1）保存文件：

:w
  • ：表示进入命令输入状态。
  • w 表示写入（write），即保存文件。

（2）退出 vi

:q
  • q表示退出（quit）。
  • 按 ctrl+enter 退出 vi。

5、编译并运行

        回到终端界面输入以下命令即可编译并运行

gcc example.c -o example
./example

结果：

四、总结

        在本次学习中，我深入理解了Linux的进程与线程概念，掌握了通过ps、kill等命令查看和终止进程的操作，并通过fork()、wait()、exec()函数实现父子进程协作的编程实践。对比Linux虚拟内存与STM32物理内存管理机制，我认识到前者通过隔离与动态扩展提升安全性与灵活性，而后者以实时性和确定性服务于嵌入式场景。通过编写C程序调用系统函数，我进一步熟悉了多进程资源管理及错误处理流程，巩固了理论与实践的衔接能力，为后续复杂系统开发奠定了基础。

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