Linux系统调用编程
进程和线程
进程是操作系统资源分配的基本单位，拥有独立的地址空间、内存、文件描述符等资源，进程间相互隔离。每个进程由程序代码、数据段和进程控制块（PCB）组成，PCB记录了进程状态、资源分配等信息。
线程是进程内执行的最小单元，是CPU调度的基本单位。同一进程内的多个线程共享进程的资源（如内存、文件描述符），但每个线程有独立的运行栈和程序计数器。线程切换开销远小于进程，适合并发执行任务。
进程pid
ps -a 命令会列出当前终端下所有进程的简要信息，包括进程PID。
同时也可以使用ps -aux来查看详细的进程信息。
同时我们也可以通过 kill 命令向指定 PID 发送信号终止进程。
kill <PID>
kill -15 <PID>：优雅终止进程，允许清理资源。
kill -9 <PID>：强制终止进程（慎用，可能导致数据丢失）。 同时也可以使用pkill和killall命令通过进程名终止进程（如 pkill python）。
虚拟内存管理
Linux虚拟内存存可以为每个进程提供独立的4GB地址空间，进程访问的地址是虚拟的，需通过页表映射到物理内存或磁盘交换空间。
其具有分页机制，能将内存和磁盘划分为固定大小的页，通过多级页表实现虚拟地址到物理地址的转换。同时可以进行动态管理，根据“最近最少使用”（LRU）算法，将不活跃的页面交换到Swap空间，释放物理内存供其他进程使用。还能进行进程隔离，每个进程的虚拟地址空间是独立的，可以防止内存越界访问，提升系统稳定性。
同时他也兼具了扩展性、灵活性和安全性。当物理内存不足时，他会利用磁盘扩展虚拟内存，支持更多进程运行；同时程序可分配连续虚拟地址，无需关心物理内存碎片；还可以通过页表权限控制（如读写/执行位），隔离进程内存空间。
STM32作为嵌入式MCU，采用物理内存直接映射，所有资源（Flash、SRAM、外设寄存器）都会统一编址到4GB线性地址空间。
其具有固定地址分配，Flash代码区为0x08000000~0x0807FFFF（具体大小由芯片型号决定），SRAM数据区为0x20000000~0x2000XXXX（如STM32F103为64KB），外设寄存器：0x40000000~0x5FFFFFFF（如GPIO、UART等）。同时其所有数据需直接存储在物理内存中，无磁盘扩展机制。
他可以直接访问物理地址，避免虚拟内存的页表查询开销，具有实时性；他内存容量小（通常KB级），需静态分配以避免碎片，资源会受到限制；同时他的内存映射由芯片设计决定，软件无法动态调整。
| 特性 | Linux虚拟内存 | STM32物理内存映射 |
|---|---|---|
| 地址空间 | 每个进程独立4GB虚拟地址空间 | 全局4GB物理地址空间，所有资源固定映射 |
| 内存管理 | 动态分页、交换空间（Swap） | 静态分配，无交换机制 |
| 性能 | 页表查询引入延迟，但支持大内存扩展 | 直接访问物理地址，无额外开销 |
| 应用场景 | 多任务通用操作系统 | 嵌入式实时系统，资源受限环境 |
| 安全性 | 进程隔离、权限控制 | 无隔离机制，依赖硬件设计 |
系统调用函数
fork()
fork()函数是Linux中创建新进程的核心系统调用，通过“写时复制”（Copy-on-Write, COW）技术生成一个与父进程几乎完全相同的子进程。子进程继承父进程的地址空间、文件描述符、信号处理等资源，但拥有独立的进程ID（PID）。调用方法如下：
#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
// 返回值
// 父进程返回子进程的 PID（正整数）。
// 子进程返回 0。
// 失败返回 -1（如资源不足）。
// 子进程与父进程并发执行，顺序由调度器决定。
// 文件描述符、内存页等资源默认共享，但写入时触发复制（COW）。exec()
exec()函数用于替换当前进程的映像，加载并执行新程序。成功调用后，原进程的代码、数据、堆栈等被完全覆盖，仅保留进程 ID。调用方法如下：
#include <unistd.h>
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
// 其他变体：execlp, execle, execvp, execve
// path：可执行文件路径（如 /bin/ls）。
// arg：命令行参数数组，以 NULL 结尾。
// execlp/execvp：支持通过环境变量 PATH 搜索程序。
// exec() 成功时不会返回，失败时返回 -1。
// 子进程继承父进程的文件描述符，需手动关闭不需要的句柄。wait()
wait()函数用于父进程等待子进程终止，并回收其资源（避免僵尸进程）。通过获取子进程的退出状态，父进程可判断子进程是否正常结束及退出码。其调用方法如下：
#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *status);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
// 成功：返回终止子进程的 PID。
// 失败：返回 -1（如无子进程）。
// wait() 阻塞父进程直到子进程终止。
// waitpid(pid, ...) 可指定等待特定子进程。gcc编程
这里我们在Linux系统下使用gcc实现一个系统调用函数的实现，首先我们进行对fork()函数的代码编写。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h> // 包含fork()的头文件
#include <sys/types.h>
int main() {
pid_t pid = fork(); // 创建子进程
if (pid < 0) {
// fork失败
perror("fork failed");
return 1;
} else if (pid == 0) {
// 子进程
printf("Child process: PID = %d", getpid());
execlp("/bin/ls", "ls", "-l", NULL); // 子进程执行ls命令
} else {
// 父进程
printf("Parent process: PID = %d, Child PID = %d", getpid(), pid);
sleep(2); // 等待子进程结束
}
return 0;
}然后我们在写代码的目录下新建一个CMakeLists.txt文件以进行cmake编程。
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(fork_test)
# 添加可执行文件
add_executable(fork_test fork_test.c)
# 显式链接pthread库
target_link_libraries(fork_test pthread)
#指定gcc编译器
set(CMAKE_C_COMPILER gcc)接着我们在建立一个“build”文件夹来生成构建文件，并进行编译。
mkdir build
cd build
cmake ..
make 然后就可以输入./fork_test来运行程序了。
总结
本次实验对Linux系统调用编程进行了练习，进一步了解了进程和内存管理，并调用了fork()函数，理解了内存机制差异，有助于后续选择更合适的系统设计。