进程与线程

进程间通信和线程间通信几种方式

程序是一组指令(或代码)集合, 它描述计算机应如何执行一系列操作

程序本身是静态, 存在于存储介质(如硬盘)中, 不占用CPU和内存等资源

进程

进程(Process)指在计算机中已经运行或等待运行的程序实例, 是系统进行资源分配和调度的基本单位

进程是程序一次执行过程, 是动态概念, 一个程序可以多次运行, 每次运行都会创建一个新进程

进程包含了程序计数器、寄存器当前值以及内存状态(包括程序代码和数据)

特性

独立性

进程是系统中资源分配的基本单位, 每个进程都拥有自己独立地址空间, 互不干扰

动态性

进程有生命周期, 包括创建、就绪、运行、阻塞、挂起和终止等状态

并发性

多个进程可以在单个或多个处理器上并发执行, 实现多任务处理

交互性

进程在执行过程中可能需要与其他进程或系统进行交互, 例如通过消息传递、管道、共享内存等方式

状态

就绪状态

进程已经获得除CPU以外所有资源, 等待CPU分配

运行状态

进程正在CPU上执行

阻塞状态

进程因为等待某个事件(如I/O操作完成)而暂时不能继续执行

挂起状态

进程被操作系统从内存中移出, 放入磁盘交换空间, 等待重新调入内存执行

表示

结构

进程控制块(PCB), 是操作系统用于描述和控制进程的数据结构, 包含了进程标识、状态、优先级、程序计数器、寄存器、内存管理信息、资源清单等

程序段, 是进程代码部分, 被组织成可执行指令序列

数据段, 包含了进程在执行过程中所用各种数据, 包括全局变量、静态变量等

地址空间

每个进程都有自己地址空间, 包括,

graph LR;
    A(地址空间)
    A-->T(文本区域 text region)-->T1(存储处理器执行代码)
    A-->D(数据区域 data region)-->D1(存储变量和进程执行期间使用的动态分配内存)
    A-->S(堆栈区域 stack region)-->S1(存储着活动过程调用的指令和本地变量)

进程ID

每个进程都有一个非负整形表示唯一进程ID

• 进程ID 1

init进程, 在自举过程结束时用内核调用

• 进程ID 2

页守护进程, 负责支持虚拟存储器系统分页操作

操作

创建

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

一个现有进程可调用fork函数创建一个新进程

• 调用一次返回两次

• 并发执行

fork之后是父进程先执行还是子进程先执行不确定

• 相同但独立地址空间

• 共享文件

子进程继承父进程所有打开文件

子进程与父进程继续执行fork调用之后指令

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        printf("子进程\n");
    } else {
        printf("父进程\n");
    }
    return 0;
}

进程创建后, 父子进程都有各自不同地址空间, 其中一个进程在其地址空间修改对另一个进程不可见

子进程初始化空间是父进程一个副本, 涉及两个不同地址空间, 不可写内存区共享, 某些UNIX实现使程序正文在两者间共享, 因为它是不可修改

还有一种写时复制共享技术, 子进程共享父进程所有内存, 一旦两者之一想要修改部分内存, 则这块内存被复制确保修改发生在当前进程私有内存区域

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>

int g_var = 6;

int main(void){
    int var = 88;
    pid_t pid = fork();
    // 子进程修改值
    if(pid == 0){
        g_var++;
        var++;
    }
    // 父进程休眠两秒, 让子进程先输出
    else{
        sleep(1);
    }
    // father pid = 114014, pid = 114015, g_var = 7, var = 89
    // father pid = 113970, pid = 114014, g_var = 6, var = 88
    printf("father pid = %ld, pid = %ld, g_var = %d, var = %d\n", getppid(), getpid(), g_var, var);
    return 0;
}

获取进程ID

• 返回调用进程ID

pid_t getpid(void)

• 返回调用进程父进程ID

pid_t getppid(void)

进程间通信

管道(pipe)

一种半双工通信方式, 数据从一端写入, 另一端读取

消息队列(nessage queue)

允许进程之间以消息形式进行通信, 消息按先进先出顺序排列

共享内存(shared memory)

多个进程可以访问同一块内存区域, 实现高效通信

信号量(semaphore)

用于进程间同步和互斥, 防止资源竞争和死锁

套接字(socket)

支持跨网络进程间通信, 广泛应用于网络通信

线程

线程是进程中一个执行流, 是CPU调度和分派基本单位, 是程序执行的最小单位

线程是操作系统调度的基本单位, 一个进程通常包含多个线程, 这些线程可以并发执行, 从而提高程序执行效率

线程是进程中一个实体, 被系统独立调度和分派, 但不拥有系统资源, 只拥有如程序计数器、栈等

线程与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有全部资源, 如内存、文件描述符等

特性

独立性

线程在进程内部独立执行, 但与其他线程共享进程资源

并发性

多个线程可以在同一个进程内并发执行, 充分利用多处理器并行处理能力

动态性

线程有生命周期, 包括新建、就绪、运行、阻塞和死亡等状态

共享性

线程共享进程资源, 这使得线程间通信和同步变得相对容易

状态

线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态

就绪状态

指线程具备运行的所有条件, 逻辑上可以运行, 在等待处理机

运行状态

指线程占有处理机正在运行

阻塞状态

指线程在等待一个事件(如某个信号量), 逻辑上不可执行

操作

创建

// 创建成功返回0, 否则返回Exxx(正数)
int pthread_create(pthread_t *tid, const pthread_attr_t *attr, void *(*func) (void *), void *arg);

// 1.有一int型全局变量g_flag初始值为0;
// 2.在主线称中起动线程1, 打印"this is thread1", 并将g_flag设置为1
// 3.在主线称中启动线程2, 打印"this is thread2", 并将g_flag设置为2
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>

int g_flag = 0;

void *thread1(void *arg){
    printf("进入线程1\n");
    printf("线程1, g_flag: %d, 线程pid %u\n", g_flag, (unsigned int)pthread_self());
    g_flag = 1;
    printf("线程1, g_flag: %d, 线程pid %u\n", g_flag, (unsigned int)pthread_self());
    printf("线程1结束\n");
    pthread_exit(0);
}

void *thread2(void *arg){
    printf("进入线程2\n");
    printf("线程2, g_flag: %d, 线程pid %u\n", g_flag, (unsigned int)pthread_self());
    g_flag = 2;
    printf("线程2, g_flag: %d, 线程pid %u\n", g_flag, (unsigned int)pthread_self());
    printf("线程2结束\n");
    pthread_exit(0);
}

int main(int argc, char** argv){
    pthread_t tid1, tid2;
    int rc2 = pthread_create(&tid2, NULL, thread2, NULL);
    if(rc2 != 0){
        printf("%s: %d\n", __func__, strerror(rc2));
    }
    int rc1 = pthread_create(&tid1, NULL, thread1, &tid2);
    if(rc1 != 0){
        printf("%s: %d\n", __func__, strerror(rc1));
    }
    return 0;
}

线程间通信

线程间通信主要通过共享内存, 上下文切换很快, 资源开销较少, 但相比进程不够稳定容易丢失数据

一个线程可以创建和撤消另一个线程, 同一进程中多个线程之间可以并发执行

由于线程之间相互制约, 致使线程在运行中呈现出间断性

锁机制

包括互斥锁、条件变量、读写锁

互斥锁

提供以排他方式防止数据结构被并发修改的方法

读写锁

允许多个线程同时读共享数据, 而对写操作是互斥

条件变量

可以以原子方式阻塞进程, 直到某个特定条件为真为止. 对条件测试是在互斥锁保护下进行

条件变量始终与互斥锁一起使用

协程

协程(Coroutine)是一种用户态轻量级线程, 允许程序在不同执行点之间自由切换, 而不需要操作系统内核干预, 其调度完全由用户控制

协程调度切换时, 会将寄存器上下文和栈别处保存, 在切回时, 恢复先前保存寄存器上下文和栈, 因为直接操作栈则基本没有内核切换开销, 可以不加锁访问全局变量, 所以上下文切换非常快 未选择文件