Linux系统调用编程-EW帮帮网

虚拟地址空间：每个进程都有独立的虚拟地址空间，通常为4GB（32位系统）或更大（64位系统）。虚拟地址通过内存管理单元（MMU）映射到物理地址。

页表：虚拟地址通过页表映射到物理地址。页表由操作系统维护，存储在物理内存中。

内存隔离：每个进程的虚拟地址空间是独立的，避免了进程间的内存冲突。

内存扩展：通过交换（swap）或分页（paging）机制，将暂时不用的内存页写入磁盘，从而扩展物理内存的使用。

内存保护：虚拟内存提供了访问权限检查，确保进程只能访问授权的内存区域。

虚拟内存的管理是以进程为基础，每个进程都有各自的虚拟地址空间，每个进程的内核空间是所有进程所共享的。在Linux中虚拟地址空间主要是由最高层的 mm_struct 和较高层次的 vm_ area_ struct 结构来描述的（如图）。

在 Linux 内核中，每个进程由一个 task_struct 描述符表示。task_struct 包含一个指向 mm_struct 的指针（mm），用于管理进程的虚拟内存状态。mm_struct 是进程虚拟内存的核心管理结构，包含两个关键字段：pgd 和 mmap。

pgd 字段：

pgd 指向页全局目录（Page Global Directory，PGD）的基址，这是分页机制的第一级页表。
当内核运行该进程时，会将 pgd 的值存入 CR3 控制寄存器，以便处理器能够访问该进程的虚拟内存。

mmap 字段：

mmap 指向一个 vm_area_struct（虚拟内存区域结构）的链表。
每个 vm_area_struct 描述了进程虚拟地址空间的一个连续区域，例如代码区、数据区、共享库等。
每个 vm_area_struct 包含以下字段：
vm_start 和 vm_end：表示该虚拟内存区域的起始和结束地址。
vm_prot 和 vm_flags：描述该区域的访问权限和标志。
vm_next：指向链表中的下一个 vm_area_struct。

而STM32的真实物理内存（内存映射）是一种嵌入式处理器，其内存管理基于真实的物理地址；采用统一编址方式，将程序存储器、数据存储器和外设寄存器组织在4GB的线性地址空间内。

其内存地址空间被划分为多个固定区域，如Flash存储区、SRAM区和外设寄存器区，这些区域的起始地址和大小由硬件设计决定。程序直接使用物理地址访问内存和外设，无需虚拟地址到物理地址的映射。此外，所有程序共享同一物理地址空间，没有内存隔离机制。

特性	Linux虚拟内存管理	STM32真实物理内存
地址空间	每个进程有独立的虚拟地址空间	所有程序共享同一物理地址空间
内存隔离	支持内存隔离，避免进程间冲突	没有内存隔离，容易冲突
内存扩展	支持内存交换（Swap），扩展物理内存	没有内存交换功能，所有数据必须在物理内存中
地址映射	虚拟地址通过页表映射到物理地址	直接使用物理地址，没有虚拟地址
适用场景	适用于多任务操作系统，强调安全性和灵活性	适用于嵌入式系统，强调硬件直接访问和实时性

相较而言，Linux的虚拟内存管理和STM32的真实物理内存映射在设计目标和实现方式上有显著不同，分别适用于不同的应用场景。Linux的虚拟内存管理提供了内存隔离和扩展能力，而STM32的真实物理内存映射则强调硬件直接访问和实时性。

了解完这些过后，我们就可以开始Linux系统编程了。

Linux系统调用函数

目录创建

以下图目录为例，下图已经是建立好的样式，可以看到homework的目录，下面开始讲解实操步骤。

cd ~                  # 进入home目录

mkdir homework        # 创建子目录

cd homework           # 进入新创建的目录

ls                    # 验证目录创建成功

创建C代码并运行

首先，我们要通过命令进入创建的homework文件，然后在文件下新建项目，随后保存编译运行即可。

cd ~/homework          # 进入homework目录

ls                     # 确认目录内容

vi test001.c              # 创建并编辑test.c文件

# 按Esc，输入:wq保存并退出

ls                     # 确认test.c文件已创建

gcc test001.c -o test001     # 编译代码

./test001                 # 运行程序

代码如下：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

#include <unistd.h>

int main() {

    pid_t pid = fork();  // 创建子进程

    if (pid < 0) {

        // 错误处理

        fprintf(stderr, "Fork failed\n");

        return 1;

    } else if (pid == 0) {

        // 子进程执行的代码

        printf("子进程: PID=%d, PPID=%d\n", getpid(), getppid());

        execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);  // 使用execl替换子进程的执行环境

    } else {

        // 父进程执行的代码

        printf("父进程: PID=%d, 子进程PID=%d\n", getpid(), pid);

        wait(NULL);  // 等待子进程结束

        printf("子进程已结束\n");

    }

    return 0;

}

运行截图如下：

分析结果：

进程输出：

父进程: PID=1254192, 子进程PID=1254193

父进程的PID是1254192。

子进程的PID是1254193。

子进程输出：

子进程: PID=1254193, PPID=1254192

子进程的PID是1254193。

子进程的父进程PID（PPID）是1254192，与父进程的PID一致。

ls -l命令的输出：

总用量 44

-rwxr-xr-x 1 chenzy group17 17040 апр 4 17:40 test

-rwxr-xr-x 1 chenzy group17 17040 апр 4 17:41 test001

-rwxr-xr-x 1 chenzy group17 530 апр 4 17:40 test001.c

ls -l命令列出了当前目录下的文件及其详细信息。

文件列表包括test、test001和test001.c。

每个文件的权限、所有者、组、大小和修改时间都显示出来。

子进程结束：

子进程已结束

父进程通过wait()函数等待子进程结束，并打印了子进程结束的消息。

这个结果表明程序运行正常，符合预期

总结

本次学习，从进程和线程的基本概念入手，掌握它们在操作系统中的作用和特点。通过实践操作，使用ps -a和kill命令查询和终止进程，理解Linux虚拟内存管理和STM32真实物理内存的区别。在编程实践中，创了一个使用fork()、wait()和exec()的C程序，并通过编译和运行验证了其功能。

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