#Linux 应用开发 #文件 IO #多进程 #多线程 #IPC 进程间通信
前言
本篇基于 Linux 应用编程学习文档整理，覆盖嵌入式 Linux 应用开发四大核心板块：文件操作、多任务（进程、线程）、线程同步互斥、IPC 进程间通信。重点区分标准 C 库标准 IO 与 Linux 内核文件 IO 系统调用，理清进程、线程底层内存模型，梳理全套常用 API、使用场景以及典型问题（僵尸进程、孤儿进程、死锁），适合课后复习、面试速查。
一、Linux 文件操作
1. 内存与文件对比
内存：读写速度快；程序结束 / 掉电数据丢失；空间小价格昂贵。 文件 (外存硬盘)：读写速度慢；断电数据持久保存；存储空间大，成本低。
Linux 一切皆文件，共 7 种文件类型，ls -l首字符区分：
-普通文件：文本 ASCII 文件、二进制文件d目录文件：文件夹c字符设备文件：鼠标、键盘b块设备文件：硬盘l软链接：快捷方式ssocket 套接字：网络编程ppipe 管道：进程间通信
2. 标准 IO（C 库函数，FILE* 文件流指针）
头文件stdio.h，固定流程：打开→读写→关闭。
fopen()打开文件，模式r/r+/w/w+/a/a+- 读写接口
fgetc/fputc：单字符读写fgets/fputs：按行读写，适合文本文件，不能处理二进制\0fread/fwrite：块读写，支持二进制文件
fclose()关闭文件，避免文件描述符泄露。
系统预定义 3 个流：stdin标准输入、stdout标准输出、stderr标准错误输出。
流定位接口：fseek偏移、ftell获取当前偏移、rewind回到文件头部，可用来计算文件大小。
用户缓冲区分类
- 行缓冲 ：大小 1K，终端设备；
\n、fflush、缓冲区满、程序结束触发刷新。 - 全缓冲：大小 4K，普通磁盘文件；缓冲区满、关闭文件、fflush 强制刷新。
- 无缓冲：stderr，直接输出，不缓存。
3. 文件 IO（系统调用，文件描述符 fd）
内核提供系统调用，头文件sys/types.h sys/stat.h fcntl.h unistd.h
open()打开文件；flags：O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR、O_CREAT、O_TRUNC、O_APPEND；mode 设置新建文件权限。read()读取数据、write()写入数据、close()关闭。lseek()修改文件读写偏移位置。
文件描述符规则：0~1023，遵循最小未使用分配；0、1、2 默认分别对应标准输入、输出、错误。
标准 IO 和 文件 IO 对比
表格
| 对比维度 | 标准 IO | 文件 IO |
|---|---|---|
| 操作句柄 | FILE*文件流指针 |
int 文件描述符 fd |
| 接口来源 | C 标准库函数 | Linux 内核系统调用 |
| 可移植性 | 跨平台，可移植性强 | Linux 专属，移植弱 |
| 缓冲区 | 带用户层缓冲区，减少系统调用 | 无用户层缓冲，实时性高 |
| 适用场景 | 普通文件读写 | 硬件设备文件操作 |
4. 目录 IO
opendir()打开目录 → readdir()读取目录项信息struct dirent → closedir()关闭目录； mkdir()创建目录。
5.framebuffer 帧缓冲
/dev/fb0显示设备文件，使用mmap内存映射，把显存映射至用户空间，直接写 RGB 数值完成屏幕绘图。
6. 时间与日志编程
time()获取 1970 至今秒数；ctime()、localtime()把秒数转为时间格式。 日志模块封装：init_log()初始化、write_log(等级,字符串)写日志（INFO/WARNING/ERROR）、deinit_log()关闭日志；进阶功能：按日期生成日志文件。
二、多任务编程：进程、线程
进程：操作系统资源分配最小单位 ；线程：CPU任务调度最小单位
1. 进程
程序是硬盘上静态指令集合；进程是程序运行实例，占用内存 CPU，拥有独立 0‑4G 虚拟地址空间。
fork()创建子进程 父进程返回子进程 PID，子进程返回 0，失败返回‑1；子进程拷贝父进程用户空间，内核空间共享。 辅助 API：getpid()获取自身 PID，getppid()获取父进程 PID。- 进程退出方式：return、
exit()、_exit()、接收信号终止。 - 僵尸进程、孤儿进程
- 僵尸进程：子进程退出，父进程没有回收资源；使用
wait()/waitpid(WNOHANG)进行回收。 - 孤儿进程：父进程提前结束，子进程被系统进程收养，退出资源自动回收。
- exec 函数族：在当前进程运行新程序，替换进程代码段。
execl/execlp/execv/execvp；l列表传参，p从 PATH 环境变量搜索程序。 - Linux 进程状态：R 运行、S 可中断睡眠、D 不可中断睡眠、T 暂停、Z 僵尸、X 完成回收。
2. 线程（轻量级进程）
线程隶属于所属进程；共享进程堆、数据段、代码段；每个线程拥有独立栈空间。编译链接添加‑pthread。
pthread_create()创建线程- 线程回收
- 非分离属性（默认）：
pthread_join()阻塞等待回收线程资源。 - 分离属性：
pthread_detach()，线程结束操作系统自动回收，无需 join。
3. 线程互斥与同步
- 互斥锁 pthread_mutex_t ：解决多线程临界资源竞争；流程：
pthread_mutex_init初始化 →lock加锁 →unlock解锁 →destroy销毁。 - 信号量 sem_t ：实现线程同步；P 操作
sem_wait()资源‑1；V 操作sem_post()资源 + 1。
4. 死锁
死锁 4 个必要条件：互斥、请求与保持、不可剥夺、循环等待；破坏任意一条即可解除死锁。
三、IPC 进程间通信
IPC 用于同一主机多进程之间数据交互，分为传统管道、System V IPC、Socket 网络通信。
- 无名管道 pipe ：仅支持亲缘进程（父子）；内核缓冲区 FIFO；
pipe()创建，read/write 读写。 - 有名管道 FIFO (mkfifo)：本机任意进程通信，以文件形式存在。
- 信号 ：异步软中断通知，不携带业务数据；
signal()注册信号处理函数。
✨小结
- 文件编程分清标准 IO（库、带缓冲）、文件 IO（系统调用 fd，操作硬件）；
- 进程资源独立，开销大；线程共享进程资源，开销小，但是会带来资源竞争；
- fork 产生子进程要注意僵尸进程回收；多线程访问公共资源必须使用互斥锁 / 信号量，警惕死锁；
- 进程不能直接访问对方内存，必须依靠 IPC 机制完成通信。