嵌入式——进程与线程1

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进程与线程1

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📖今日学习内容：程序与进程概念、进程状态、fork创建子进程、进程回收wait/waitpid、exec函数族、环境变量；线程概念、线程创建回收、进程线程对比。

🔍文章大纲

1. 基础概念：程序 vs 进程
2. Linux进程常用shell命令
3. 进程虚拟地址空间
4. 进程五大状态
5. 进程创建 fork()
6. 进程退出 exit/_exit
7. 进程回收 wait / waitpid，僵尸进程、孤儿进程
8. exec函数族
9. 环境变量 setenv / environ
10. 线程基础：线程概念、进程与线程区别
11. 线程API pthread_create / pthread_exit / pthread_join
12. ✨学习重点汇总
13. ⚠️易错点&踩坑记录
14. 📝今日学习小结

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1. 基础概念：程序 vs 进程

• 程序：存放在外存（磁盘）上的可执行文件，静态，没有运行。
• 进程：程序的一次动态执行实例，包含创建、调度、运行、消亡整个生命周期。>

PID：进程唯一标识ID；PPID：父进程ID。

2. Linux进程常用shell命令

命令	功能
ps -ef	查看系统全部进程，PID、PPID
ps -aux	查看进程CPU、内存占用
pstree	查看进程父子树关系
top	实时查看进程资源占用
kill -9 PID	强制杀死指定进程
killall -9 进程名	按名字批量杀进程
./a.out &	程序放到后台运行
jobs	查看后台任务
fg 编号	后台任务切回前台运行
nice / renice	修改进程优先级

3. 进程虚拟地址空间（32位0~4G）

每个进程拥有独立虚拟地址空间，MMU内存管理单元映射到物理内存。

分区：

1. 文本段(.text)：存放可执行代码、指令，只读
2. 数据段
   • .data：已经初始化全局变量、static静态变量
   • .bss：未初始化全局、静态变量，程序启动自动置0
   • .rodata：字符串常量，只读
3. 栈区(.stack)：局部变量、函数形参、函数调用栈；函数退出自动回收；空间较小。
4. 堆区(.heap) ：程序员手动管理，malloc/free申请释放，存放大数据。

进程之间虚拟地址相互隔离，一个进程不能直接读写另一个进程的地址空间。

4. 进程6种状态

状态	标记	说明
运行态	R	CPU正在执行该进程
就绪态	R	等待CPU时间片，资源就绪等待调度
可中断睡眠态(S)	S	等待资源，可以被信号唤醒
不可中断睡眠态(D)	D	等待硬件IO，不能被信号唤醒
停止态(T)	T	收到暂停信号，进程暂停
僵尸态(Z)	Z	子进程代码执行结束，资源未被父进程回收，残留PCB
结束态(X)	X	资源全部回收，彻底消亡

僵尸进程 ：子进程已经退出，父进程没有调用wait/waitpid回收子进程资源，产生僵尸进程，占用PCB资源。

孤儿进程 ：父进程先退出，子进程被init/systemd进程收养，init会自动回收孤儿子进程，孤儿进程不会成为僵尸进程。

5. 进程创建 fork()

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

返回值

1. 父进程：返回子进程PID(>0)
2. 子进程：返回 0
3. 失败：返回 ‑1

fork工作原理：

1. 调用fork之后，创建子进程，拷贝父进程的虚拟地址空间（写时复制COW）。
2. fork之后，父子进程从fork返回处，同时向下执行代码。
3. 文件描述符会被复制，父子共享同一个文件偏移。
4. 父子进程是完全独立进程，变量互不干扰。

写时复制COW：刚fork时父子共享物理内存；只有任意一方对内存做写操作，才会真正拷贝内存页面。

6. 进程退出

#include <stdlib.h>
void exit(int status);   //库函数，会刷新缓冲区，执行atexit注册钩子，再退出进程

#include <unistd.h>
void _exit(int status);  //系统调用，直接结束进程，**不刷新IO缓冲区**

• status：退出状态，取值0‑255；父进程wait可以拿到这个退出值。
• main函数return n等价于exit(n)；普通函数return只是结束函数，不会结束进程。

7. 进程回收 wait / waitpid

wait --- 阻塞回收子进程

pid_t wait(int *wstatus);

• 阻塞等待任意一个子进程结束；
• wstatus保存子进程退出状态，传NULL代表不关心状态。
• 返回值：成功返回退出子进程PID；失败返回‑1。

状态解析宏：

• WIFEXITED(wstatus)：非0 → 子进程正常退出
• WEXITSTATUS(wstatus)：获取子进程exit的退出码
• WIFSIGNALED(wstatus)：非0 → 子进程被信号杀死
• WTERMSIG(wstatus)：获取杀死进程的信号编号

waitpid --- 指定PID回收，可以非阻塞

pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

参数pid：

• pid > 0：回收指定PID的子进程
• pid = -1：回收任意子进程，等价wait
  options选项：
• 0：阻塞模式
• WNOHANG：非阻塞，子进程未结束返回0，不卡住父进程

wait/waitpid作用：回收子进程PCB资源，消除僵尸进程。

8. exec函数族

fork创建子进程后，子进程复制父进程代码；exec可以让子进程加载执行全新程序，替换当前进程地址空间，PID保持不变。

常用原型：

// l：参数列表传参；p：自动搜索PATH环境变量；e：自定义环境变量
int execl(const char *path, const char *arg, ... , (char*)NULL);
int execlp(const char *file, const char *arg, ... , (char*)NULL);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);

特点：

1. exec调用成功之后，后面代码全部不再执行，地址空间被新程序覆盖。
2. exec只有失败才有返回值，成功无返回。
3. 文件描述符默认继承。

9. 环境变量

• 全局变量 extern char **environ; 保存全部环境变量。

  int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite);

• overwrite=1：存在就覆盖；overwrite=0，存在则不修改。

10. 线程基础

线程：轻量级进程LWP，进程是资源分配最小单位；线程是CPU调度最小单位。

进程与线程对比

对比项	进程	线程
资源分配	每个进程拥有独立完整虚拟地址空间	线程隶属于进程，共享进程的堆、全局、data、bss、rodata ；每个线程拥有独立栈
调度单位	进程	线程（CPU调度）
切换开销	大，切换页表，刷新cache	很小，只切换栈、寄存器
隔离性	进程完全隔离，进程间默认不能直接访问	同进程内线程共享内存，直接读写全局变量，存在竞态条件
销毁影响	一个进程崩溃不影响别的进程	一个线程崩溃，整个进程全部直接崩溃

一个进程至少有1个主线程(main线程)。

11. POSIX线程API（pthread库，编译需要加 -pthread）

// 创建线程
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                   void *(*start_routine)(void *), void *arg);

// 线程退出
void pthread_exit(void *retval);

// 阻塞回收线程
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

1. pthread_create：创建子线程；attr传NULL使用默认属性；arg传给线程函数。
2. pthread_exit：结束当前线程，不会结束整个进程；main函数调用pthread_exit，主线程退出，其他子线程可以继续运行。
3. pthread_join：阻塞等待指定线程结束，回收线程资源；如果不join，会产生僵尸线程。>

编译命令示例：gcc test.c -o test -pthread

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✨学习重点

1. 程序静态，进程动态；PID进程唯一标识，PPID父进程ID。
2. 进程虚拟空间分区：text、data、bss、rodata、栈、堆；栈自动回收，堆需要malloc/free手动释放。
3. fork：写时复制COW；返回三次（父>0，子=0，失败‑1），父子进程从fork之后并行执行。
4. 僵尸进程：子进程退出父进程没有wait回收；孤儿进程父进程先死，被init收养，不会僵尸。
5. exit库函数刷新缓冲区；_exit系统调用直接退出，不刷新缓冲区；main return等价exit。
6. wait阻塞回收任意子进程；waitpid支持指定PID，支持WNOHANG非阻塞回收，解决僵尸进程。
7. exec函数族：替换进程地址空间，PID不变，成功之后后续代码不运行，只有失败返回。
8. 进程vs线程：进程是资源分配最小单位；线程是CPU调度最小单位。
9. 同进程线程：共享堆、全局变量；每个线程有自己独立栈；一个线程崩溃整个进程崩溃。
10. pthread库编译必须加 -pthread；pthread_join回收线程，否则僵尸线程。

⚠️易错点汇总

1. 混淆_exit()与exit()：_exit()系统调用，直接退出不刷新缓冲区，容易丢失输出。
2. fork之后误以为父子进程先后执行，实际父子进程调度顺序由操作系统决定，顺序不确定。
3. fork之后父子进程变量拷贝，子进程修改变量不会影响父进程，写时复制，各自独立。
4. 僵尸进程不等于孤儿进程：孤儿进程被init自动回收，不会产生僵尸；只有子结束父不回收才僵尸。
5. wait会阻塞父进程；想要不阻塞必须使用waitpid(..., WNOHANG)。
6. exec执行成功，后面代码不会跑；不要在exec后面写业务逻辑，只写错误处理。
7. 线程易错：main函数return 0是结束整个进程，所有子线程全部直接销毁；pthread_exit(NULL)只退出主线程，子线程继续运行。
8. pthread编译忘记加 -pthread，编译报错未定义引用。
9. 不调用pthread_join，线程结束资源不释放，产生僵尸线程内存泄露。
10. 同进程多个线程直接读写全局共享变量，没有同步保护，出现数据竞争、乱码逻辑错误。
11. 误以为线程崩溃只杀死当前线程：同一个进程任意一个线程崩溃，整个进程全部退出。
12. fork复制文件描述符，父子进程共享同一个文件偏移，父子同时write会出现内容交织错乱。

📝今日学习小结

今天学习Linux进程与线程核心知识点：

1. 进程是程序动态运行实例，拥有独立虚拟地址空间；掌握进程6种状态，分清僵尸进程、孤儿进程产生原因。
2. fork创建子进程，写时复制；exit/_exit进程退出；wait/waitpid回收子进程消除僵尸进程。
3. exec函数族替换进程镜像，在不改变PID情况下执行全新程序。
4. 线程是轻量级进程，CPU调度最小单位；线程共享进程大部分资源，每个线程拥有独立栈。
5. pthread线程库，pthread_create创建，pthread_exit退出，pthread_join回收，编译链接必须带上‑pthread。