嵌入式 Linux 学习 | 进程编程开发（Day05）超详细复习笔记（Linux 文件 IO 复盘｜glob/getopt｜fork 进程创建｜exec 进程替换｜shell 模拟实战作业）

前言

本篇为嵌入式 Linux 系统编程第五天完整复盘笔记，开篇先整理当日早测全套 Linux 文件 IO、用户信息、目录解析、时间转换等口述考点，再讲解glob文件匹配、getopt命令行参数解析两大工具函数；核心重点讲解 Linux 进程完整体系：进程定义、资源分配、fork 创建子进程、进程继承属性、8 种进程终止方式、atexit/on_exit终止回调、wait回收子进程、exec 族进程替换函数；最后配套质数筛选多进程优化、简易 shell 模拟两大课堂作业。

一、当日早测全套口述考点（Linux 文件 IO & 系统基础）

早测全部为简答题，覆盖前几日文件 IO、标准 IO、目录、时间、用户信息核心知识点，完整标准答案整理如下：

1. 文件的元信息都有什么？

文件元信息是不包含文件真实内容、用于描述文件属性的配套信息，通过stat/lstat/fstat函数读取，核心包含：

1. 文件类型：普通文件、目录、管道、软链接、设备文件等；
2. 文件权限：rwx 读写执行权限、SUID/SGID 特殊权限位；
3. 文件归属：UID 文件所有者、GID 所属用户组；
4. 文件大小：字节为单位的文件体积；
5. 时间戳：最后访问时间 atime、最后修改内容 mtime、最后修改属性 ctime；
6. 文件硬链接计数、文件存储设备号、inode 编号、文件读写块大小等。

2. Linux 文件类型有几种？分别是？

Linux 共 7 种基础文件类型，通过 stat 结构体st_mode判断：

1. -普通文件：文本、二进制、可执行程序；
2. d目录文件：存放文件索引与 inode 映射；
3. l软链接文件：符号链接，指向其他文件路径；
4. b块设备文件：硬盘、SD 卡等块存储设备；
5. c字符设备文件：串口、键盘、LED 等字节流外设；
6. p管道文件：匿名管道，进程间单向通信；
7. s套接字文件：本地 socket，进程间双向通信。

3. 文件 IO 中文件描述符是什么？

文件 IO 属于系统调用（open/read/write/close），文件描述符 fd 是内核分配给进程的非负整型索引：

1. 进程打开文件时，内核在进程文件描述符表分配一个数字；
2. 0 标准输入、1 标准输出、2 标准错误，默认自动打开；
3. 所有读写操作均通过 fd 告知内核操作哪个文件；
4. 进程独立 fd 表，不同进程相同 fd 代表不同文件。

4. 标准 IO 中文件流是什么？

标准 IO（fopen/fread/fprintf）封装在 C 库层，核心载体为FILE*文件流指针：

1. 对底层文件描述符做上层封装，内置缓冲区；
2. 统一屏蔽不同系统底层 IO 差异，跨平台兼容性更好；
3. 一个 FILE 流绑定一个底层 fd，操作时库函数自动管理缓存。

5. 标准 io 缓存有哪些类型？有什么作用？如何刷新缓存

三种缓存类型

1. 全缓冲：缓冲区填满才触发真实系统调用写磁盘，普通文件默认；
2. 行缓冲：读到换行符\n自动刷新，标准输出 stdout 默认；
3. 无缓冲：无缓存，每次调用直接下发系统调用，标准错误 stderr 默认。

缓存核心作用

减少系统调用次数，降低 CPU 内核态 / 用户态切换开销，大幅提升读写性能。

缓存刷新方式

1. 主动刷新：fflush(FILE* stream)强制刷新指定流；fflush(NULL)刷新所有打开流；
2. 被动刷新：缓冲区写满、行缓冲读到换行、程序正常 exit 退出、文件 fclose 关闭；
3. 强制不刷新：_exit()/_Exit()直接调用内核，跳过库缓存刷新。

6. 如何解析目录

两种主流方案：

1. 系统调用目录 API：opendir()打开目录→readdir()循环读取目录项→closedir()关闭，读取每一个文件 inode、文件名、文件类型；
2. glob 函数：通配符批量匹配目录文件，自动遍历匹配*?等通配路径。

7. 如果想读文件的一行，你有哪些方式

1. 标准 IO：fgets(buf, size, fp)按行读取，读到换行停止；
2. 标准 IO：getline(&buf, &len, fp)动态分配缓冲区，自动适配长行；
3. 文件 IO 底层：read()循环读取字节，手动判断\n分割行，自行封装行读取逻辑。

8. 如何将时间戳转换为格式化的时间字符串？

完整调用链路：

1. time_t t = time(NULL)获取秒级时间戳；
2. struct tm* tm = localtime(&t)时间戳转本地时间结构体；
3. strftime(buf, sizeof(buf), "%Y-%m-%d %H:%M:%S", tm)自定义格式化输出时间字符串。

9. Linux 中用户的信息存储在哪个文件，密码存储在哪个文件？分别用哪些函数解析

1. 用户基础信息：/etc/passwd，解析函数getpwuid()、getpwnam()；
2. 用户加密密码：/etc/shadow（仅 root 可读），解析函数getspuid()、getspnam()。

二、今日新课核心知识点

2.1 glob 文件通配符匹配函数

核心作用

模拟 shell 命令行通配符解析，自动匹配带*、?的路径，批量获取目录下匹配文件列表。 示例：命令行/etc/*代表匹配 /etc 目录下所有文件，代码中使用glob()可实现相同效果，无需手动遍历目录拼接字符串。 函数原型：int glob(const char *pattern, int flags, int (*errfunc)(const char *epath, int eerrno), glob_t *pglob);匹配结果存放在glob_t结构体，遍历gl_pathv数组获取所有匹配文件名。

2.2 getopt (3) 命令行参数解析

用于解析程序启动时传入的短选项（如./a.out -l -p 8080），自动拆分选项、选项参数，替代手动循环切割 argv 字符串，简化命令行工具开发。

2.3 Linux 进程完整体系

2.3.1 对应教材章节

进程基础：7、8、9、13 章；进程信号 / 替换：10、15 章。

2.3.2 进程核心概念

1. 官方定义：进程是操作系统分配系统资源的最小单位，是正在内存中执行的程序实例；程序是磁盘静态二进制文件，进程是运行时动态实体。
2. 进程独占资源划分（以单个进程为隔离单位）
   • 进程表项：操作系统为每一个进程单独分配一条进程控制块 PCB，存储进程所有核心属性；
   • 独立虚拟内存空间：每个进程拥有一套独立虚拟地址映射表，fork 创建子进程时采用写时复制 COW 机制，默认不共享物理内存；
   • 独立终端会话、独立 UID/GID 权限标识、独立文件描述符表；
3. Shell 与进程关系：shell 本质是运行在终端的前台进程，输入命令后 shell 创建子进程执行对应程序。

2.3.3 进程完整生命周期：创建 → 调度运行 → 终止

• 创建：fork 生成子进程；
• 调度：操作系统内核调度器分时分配 CPU 时间片，切换进程运行；
• 终止：进程执行完毕或异常崩溃，释放资源，父进程调用 wait 回收残留 PCB。
• 查看系统全部运行进程命令：ps axj，可查看 PID、PPID 父进程 ID、终端、CPU 占用、命令等信息。

2.4 进程创建 fork (2)

1. 函数原型

pid_t fork(void);

2. pid_t 进程标识类型

• 本质为非负整型数据，最小值 0；
• 调用getpid()获取当前进程自身 PID；getppid()获取父进程 PID。

3. fork 返回值三重逻辑

1. 返回负数：fork 创建失败，资源不足；
2. 返回 0：当前代码运行在子进程；
3. 返回正数（子进程 PID）：当前代码运行在父进程。

4. 子进程从父进程继承的全部属性

fork 瞬间子进程复制父进程几乎所有上下文，无需重新初始化：

1. 所有已打开的文件描述符；
2. 当前绑定的终端会话；
3. 用户 UID、用户组 GID；
4. 文件权限屏蔽字 umask；
5. 信号处理函数、当前工作目录、环境变量、缓存区数据； 不继承：PID、PPID、CPU 运行时间、异步 IO 上下文。

2.5 进程终止（共 8 种终止方式，分为正常 / 异常两大类）

第一类：5 种正常终止（主动退出，可传递退出状态码）

1. main 函数执行 return 返回；
2. 程序任意位置调用标准库exit(3)；
3. 调用系统调用_exit(2)/_Exit(2)；
4. 进程最后一个执行线程从线程入口函数 return 返回；
5. 进程最后一个线程调用pthread_exit(3)线程退出函数。

第二类：3 种异常终止（程序被动崩溃，无正常退出码）

1. 收到内核致命信号强制终止：段错误、数组越界、重复释放内存、总线错误等；
2. 代码主动调用abort(3)，触发 SIGABRT 信号自杀；
3. 进程最后一个线程响应线程取消请求，被动终止。

2.5.1 C 程序启动与终止底层流程

参考教材 167 页流程图：

1. 内核加载程序后，先执行系统启动例程_start；
2. _start初始化标准 IO、环境变量，调用用户 main 函数；
3. main 执行完毕后，自动调用exit(status)；
4. exit 会逆序执行所有注册的终止回调函数，刷新标准 IO 缓存，最终调用_exit进入内核销毁进程。

2.5.2 终止处理函数注册 atexit /on_exit

1. 作用：用户提前注册回调函数，进程调用exit()正常退出前自动执行；
2. 执行规则：逆序执行，后注册的函数优先调用；
3. 区别：
   • atexit(void (*func)(void))：无参数回调；
   • on_exit(void (*func)(int status, void *arg), void *arg)：可传递退出状态与自定义参数；
4. 关键区分：_exit(0)直接调用内核系统调用，不会刷新标准 IO 缓存、不会执行 atexit 注册的终止函数，直接销毁进程。

2.5.3 课堂练习：多进程质数筛选优化

需求：判断一个数字是否为质数单进程耗时 1s，范围 100~300 共 201 个数字，要求整体耗时控制在 1s 内。

1. 基础思路：一个数字创建一个子进程，201 个进程并行计算，全部同时运行，总耗时 1s；
2. 资源优化方案：频繁创建大量进程消耗内存、PID 资源，限制固定 4 个子进程；父进程维护任务列表，循环给空闲子进程分配数字任务，进程复用，降低系统开销。

2.6 等待子进程终止 wait (2)

核心功能：回收已结束子进程 PCB 资源（俗称收尸）

子进程终止后不会立刻释放资源，会变为僵尸进程；父进程调用wait(int *wstatus)阻塞等待任意一个子进程退出，读取退出状态，释放子进程内核资源，避免僵尸进程堆积。

2.7 进程替换 exec 函数族

2.7.1 使用场景

1. 网络服务程序：父进程 fork 子进程，子进程 exec 替换为业务处理程序；
2. Shell 命令行：shell fork 子进程后，调用 exec 加载外部命令程序（ls/cat/mkdir 等）。

2.7.2 函数共性

exec 族为可变参数函数，参数列表末尾以NULL作为结束标记；执行成功后直接替换当前进程代码段，原有代码不再执行；仅执行失败时返回 - 1。

2.7.3 五大 exec 函数详细区分

补充字符串分割工具

解析命令行字符串时拆分参数，推荐strsep()（线程安全）、strtok()，切割空格分隔的命令参数。

2.8 课堂作业 1：模拟简易 Shell 命令行

完整实现逻辑框架

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <string.h> #include <sys/wait.h> int main(void) { char buf[128]; char *argv[32]; char *p; while(1) { // 1.打印命令提示符 printf("my_shell > "); fflush(stdout); // 2.读取整行输入命令 getline(&buf, &(size_t){128}, stdin); // 去除末尾换行符 buf[strcspn(buf, "\n")] = '\0'; // 3.strsep切割字符串，拆分命令+参数存入argv数组 int argc = 0; p = strsep(&buf, " "); while(p != NULL) { argv[argc++] = p; p = strsep(&buf, " "); } argv[argc] = NULL; // 空命令跳过 if(argc == 0) continue; // 4.fork创建子进程执行命令 pid_t pid = fork(); if(pid == 0) { // 子进程：execvp替换进程执行外部命令 execvp(argv[0], argv); // exec失败才会执行到这里 perror("execvp failed"); _exit(-1); } else if(pid > 0) { // 父进程阻塞等待子进程执行完毕 wait(NULL); } } return 0; }

执行逻辑说明：循环读取用户输入→分割参数→创建子进程→子进程调用 execvp 执行系统命令→父进程 wait 回收子进程，复刻真实 shell 基础执行逻辑。

2.9 课堂作业 2：进程注册多个终止回调函数

需求：为进程注册 3 个 atexit 终止处理函数，打印区分先后顺序，验证后注册先执行规则

示例代码

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> void func1(void) { printf("回调函数1执行\n"); } void func2(void) { printf("回调函数2执行\n"); } void func3(void) { printf("回调函数3执行\n"); } int main(void) { // 注册顺序：1→2→3 atexit(func1); atexit(func2); atexit(func3); printf("主程序运行结束，准备exit\n"); exit(0); }

预期输出顺序

主程序运行结束，准备exit 回调函数3执行 回调函数2执行 回调函数1执行

完美验证逆序执行规则。

三、本章核心知识点总结

1. 早测 Linux 文件 IO 体系：文件元信息、7 类文件、fd/FILE 流、三类缓存、目录解析、行读取、时间戳转换、用户信息文件与解析函数；
2. 工具函数：glob 实现通配文件匹配，getopt 解析命令行短参数；
3. 进程基础：进程是资源分配最小单位，fork 复制进程、写时复制虚拟内存、继承父进程绝大多数属性；
4. 进程终止：8 种终止方式，exit 执行注册回调并刷新缓存，_exit 直接内核退出无回调；atexit 逆序执行终止函数；
5. 多进程优化：大量计算任务可并行 fork 提速，进程过多时采用固定进程池分配任务节约资源；wait 回收子进程防止僵尸进程；
6. exec 进程替换：区分 execl/execv/execlp/execvp 路径与参数传递差异，搭配 fork 实现 shell、服务器多任务架构；
7. 实战作业：简易 shell 模拟、多回调终止函数验证、多进程质数并行计算。

补充拓展易错点

1. fork 后父子进程共享文件偏移量，同时读写同一文件会互相覆盖；
2. exec 执行成功后不会返回，仅失败才会向下执行错误处理代码；
3. 子进程终止后父进程不调用 wait 会产生僵尸进程，长期运行占用系统 PID 资源；
4. stdout行缓冲，fork 前不 fflush 会导致父子进程重复打印缓存内容；
5. execp 自动读取 PATH 环境变量，无需填写程序绝对路径，开发命令行工具更便捷。