【XTerminal】【树莓派】Linux系统下的函数调用编程

目录

一、XTerminal下的Linux系统调用编程

1.1理解进程和线程的概念并在Linux系统下完成相应操作

(1) 进程

(2)线程

(3) 进程 vs 线程

(4)Linux 下的实践操作

1.2Linux的“虚拟内存管理”和stm32正式物理内存（内存映射）的区别

(1)Linux虚拟内存管理

(2)STM32物理内存映射

(3)主要区别

1.3理解 Linux系统调用函数 fork()、wait()、exec() 等并通过vi 编辑一个c程序

(1)系统调用函数介绍

fork()

wait()

exec()

(2)创建syscall_demo.c

(3)编写示例程序

(4)编译运行

二、在树莓派中创建多个账号并完成Linux系统调用函数联系

1.1组员账号创建

1.2在树莓派环境中学习并调用fork()、wait()和exec()函数

(1)创建文件 syscall_demo.c

(2)编写示例程序

(3)编译运行

一、XTerminal下的Linux系统调用编程

1.1理解进程和线程的概念并在Linux系统下完成相应操作

(1) 进程

定义：进程是程序的一次执行实例，拥有独立的内存空间、文件描述符和系统资源。

特点：

  • 每个进程有唯一的 PID（进程ID）。

  • 进程间相互隔离，通信需通过 IPC（进程间通信） 机制（如管道、共享内存等）。

  • 创建进程通过 fork() 或 exec() 系统调用。

(2)线程

定义：线程是进程内的执行单元，共享同一进程的内存和资源。

特点：

  • 线程有独立的 栈，但共享堆、全局变量和文件描述符。

  • 创建线程通过 pthread_create()（POSIX 线程库）。

  • 轻量级，切换开销比进程小。

(3) 进程 vs 线程

特性进程线程
独立性完全隔离共享同一进程资源
创建开销大（需复制内存）小（共享内存）
通信方式IPC（管道、信号等）直接读写共享变量
崩溃影响不影响其他进程导致整个进程终止

(4)Linux 下的实践操作

ps -a

通过kill命令尝试终止该进程

kill -9 PID

我们发现提示没有那个进程。这是因为该进程为临时进程，执行完毕后已自动退出，因此报错 。

我们可以通过下面命令查找系统中所有的进程及其对应的PID

ps -aux

我们可以对应选择一个进程进行结束

1.2Linux的“虚拟内存管理”和stm32正式物理内存（内存映射）的区别

(1)Linux虚拟内存管理

核心机制： Linux通过虚拟内存抽象物理内存，为每个进程提供独立的、连续的虚拟地址空间（通常为4GB，32位系统），由MMU（内存管理单元）动态映射到物理内存或磁盘交换空间。

其工作流程为：

进程访问虚拟地址 → MMU查页表 → 若页在物理内存则访问，否则触发缺页异常 → 内核加载缺失页或终止进程

(2)STM32物理内存映射

核心机制： STM32等嵌入式MCU通常直接操作物理内存，通过内存映射（将外设寄存器、Flash、RAM等硬件资源分配到固定的物理地址。

其典型内存布局为：

0x00000000 - 0x1FFFFFFF: Flash（代码存储） 0x20000000 - 0x2001FFFF: SRAM（数据） 0x40000000 - 0x5FFFFFFF: 外设寄存器

(3)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（进程独立）物理地址（全局唯一）
硬件支持依赖MMU实现地址转换无MMU，直接访问物理地址
内存扩展支持Swap扩展虚拟内存仅限芯片内置的物理内存
内存保护通过页表实现权限控制无保护，需开发者谨慎操作
外设访问通过/dev/mem或驱动间接访问直接读写内存映射的外设寄存器
使用场景通用计算（多任务、复杂应用）实时嵌入式系统（确定性、低延迟）

存在差异的原因：

Linux需要支持多进程、大内存应用，虚拟内存提供灵活性和安全性。

STM32：追求实时性和确定性，省去MMU降低开销，适合裸机或RTOS（如FreeRTOS）。

1.3理解 Linux系统调用函数 fork()、wait()、exec() 等并通过vi 编辑一个c程序

(1)系统调用函数介绍

fork()

功能：创建一个新的进程（子进程），子进程是父进程的副本。

返回值：

  • 父进程中返回子进程的PID（>0）。

  • 子进程中返回0。

  • 失败时返回-1。

头文件：<unistd.h>

wait()

功能：父进程等待子进程结束，并回收子进程的资源（防止僵尸进程）。

参数：int *status（存储子进程的退出状态）。

返回值：成功时返回子进程PID，失败时返回-1。

头文件：<sys/wait.h>

exec()

功能：替换当前进程的映像为新的程序（如运行另一个可执行文件）。

常用变体：

  • execl()：参数列表形式。

  • execv()：参数数组形式。

  • execvp()：自动搜索PATH环境变量。

返回值：成功时不返回，失败时返回-1。

头文件：<unistd.h>

(2)创建syscall_demo.c

vi syscall_demo.c

(3)编写示例程序

进入vi编译器后，按"i"进入插入模式

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid;int status;pid = fork();if (pid < 0) {fprintf(stderr, "Fork failed!\n");return 1;} else if (pid == 0) {printf("Child Process (PID=%d): Hello from fork()!\n", getpid());execlp("ls", "ls", "-l", NULL);perror("exec failed");return 1;} else {printf("Parent Process (PID=%d): Waiting for child...\n", getpid());wait(&status);printf("Parent: Child exited with status %d\n", WEXITSTATUS(status));}return 0;
}

编写完成后按Esc退出插入模式，输入“：wq”保存并退出

注：

保存文件Esc → :w → 回车保存但不退出
保存并退出Esc → :wq → 回车保存并退出
强制退出不保存Esc → :q! → 回车丢弃所有修改

(4)编译运行

输入下面代码进行编译运行：

#编译
gcc syscall_demo.c -o syscall_demo
#添加权限
chmod +x syscall_demo
# 运行
./syscall_demo

结果解释：

Parent Process (PID=960685): Waiting for child
#父进程（PID=960685）打印信息，表示已通过 fork() 创建子进程，并调用 wait() 进入阻塞状态，等待子进程结束。Child Process (PID=960686): Hello from fork()!
#子进程（PID=960686）被创建后，打印自己的 PID 和消息，随后调用execlp("ls", "ls", "-l", NULL)。
子进程的代码映像被替换为 ls -l 命令，原程序的后续代码（如 perror）不再执行。-rwxr-xr-x 1 zhangzy group2 17056 Apr  3 23:23 a.out
-rwxr-xr-x 1 zhangzy group2 17056 Apr  3 23:25 syscall_demo
-rw-r--r-- 1 zhangzy group2   610 Apr  3 23:23 syscall_demo.c
-rwxr-xr-x 1 zhangzy group2    65 Apr  3 22:12 test.sh
#ls -l 命令的输出，显示当前目录下的文件详情：
总用量 48Parent: Child exited with status 
#子进程（ls -l）执行完毕后，父进程的 wait(&status) 返回。
WEXITSTATUS(status) 提取子进程的退出状态码 0，表示 ls 命令成功执行。

二、在树莓派中创建多个账号并完成Linux系统调用函数联系

1.1组员账号创建

首先要进行树莓派的VNC远程登录，具体步骤可以看我前面的博客：树莓派3b:环境配置，VNC远程控制并进行简单代码运行_树莓派vnc-CSDN博客

先进入VNC命令行

（1）创建用户

为每个组员创建一个独立的系统账号，并生成各自的目录

sudo adduser user1
sudo adduser user2

（2）配置用户权限

确保用户有基本的开发权限，（如sudo权限）

# 将用户添加到sudo组（允许执行管理员命令）
sudo usermod -aG sudo username1# 验证用户组
groups username1

我们通过命令行测试，发现新用户可以进行登录（后续代码也可以通过电脑命令行实现）

1.2在树莓派环境中学习并调用fork()、wait()和exec()函数

(1)创建文件 syscall_demo.c

nano syscall_demo.c

(2)编写示例程序

该程序展示了Linux系统调用fork()、exec()、和wait()函数的工作过程

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid;int status;// 1. fork() 示例pid = fork();if (pid < 0) {fprintf(stderr, "Fork failed!\n");return 1;} else if (pid == 0) {// 子进程printf("Child Process (PID=%d): Hello from fork()!\n", getpid());// 2. exec() 示例：替换为执行 'ls' 命令execlp("ls", "ls", "-l", NULL);// 如果exec失败，才会执行到这里perror("exec failed");return 1;} else {// 父进程printf("Parent Process (PID=%d): Waiting for child...\n", getpid());// 3. wait() 示例wait(&status);printf("Parent: Child exited with status %d\n", WEXITSTATUS(status));}return 0;
}

(3)编译运行

编译：

gcc syscall_demo.c -o syscall_demo

运行：

./syscall_demo

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