进程与线程

1. 进程

1.1. 程序操作

1.1.1. 创建

  创建的是原进程的子进程，子进程会复制父进程的PCB(进程控制块)，二者之间代码共享，数据独有，拥有各自的进程虚拟地址空间。

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

• 写时拷贝技术  子进程创建后，与父进程映射访问同一块物理内存，当父或子进程对值进行修改时，会给子进程重新在物理内存中开辟一块空间，并将数据拷贝过去。
• pid_t: 创建子进程失败，会返回-1; 创建子进程成功，父进程返回pid号，子进程返回0。

1.1.2. 终止

• 正常终止
  • main函数返回
  • 调用exit函数: status 可以通过 wait（int *status） 接收; 会刷新缓冲

      #include <stdlib.h>
      void exit(int status);
    

  • 调用_exit函数: status 可以通过 wait（int *status） 接收; 不会刷新缓冲

      #include <unistd.h>
      void _exit(int status);
    

• 异常退出
  • Ctrl+C
  • 被信号终止

1.1.3. 等待

  如果子进程先于父进程退出，而父进程并没有关心子进程的退出状况，从而无法回收子进程的资源，就会导致子进程变成僵尸进程。进程等待的作用就是父进程对子进程收尸！父进程通过进程等待的方式，回收子进程的资源，获取子进程的退出状态。

• wait

    #include <sys/types.h>
      #include <sys/wait.h>
      pid_t wait(int *status);
  

  • 利用阻塞，等待子进程退出。
  • 一次只能等待一个
  • pid: 成功，子进程的pid; 失败(没有子进程)，返回-1;
  • status: 进程退出信息

• waitpid

    //头文件同wait的头文件
      pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
  

  • 返回值:
    1. 等待成功，返回pid
    2. options为WNOHANG时，没有等待到子进程，马上退出不阻塞，返回0
    3. 出错则返回-1
  • pid:
    1. -1: 随便等待一个进程
    2. pid号: 明确指定一个进程等待
  • options:
    1. 0: 阻塞等待，等待到一个就退出
    2. WNOHANG: 没有等待到子进程，马上退出不阻塞，返回0

1.1.4. 进程退出信息status

• 低16位存放信息，高16位不用
• 高8位 : 退出码， exit 的传入值或者 return 值

    (status >> 8) & 0xFF;
  

• 低8位 : 异常退出信息
  • 第7位: core dump标志位;0，不产生;1，产生

      (status >> 7) & 0x1;
    

  • 低7位: 子进程是否异常退出;0，正常;非0，终止的信号

      status & 0x7F;
    

1.2. 进程状态

1.2.1. top指令查看：

• R (running): PCB被放入CPU的可执行队列中;CPU上执行的RUNNING状态、而将可执行但是尚未被调度执行的READY状态
• S (sleeping): 睡眠状态，PCB被放入等待队列，可以通过中断唤醒。
• D (disk sleep):睡眠状态，不能中断被唤醒。内核的某些处理流程是不能被打断的。用来保护进程。
• T (stopped): SIGSTOP信号让进程进入暂停，SIGCONT信号能将进程恢复。
• t (tracing stop): 在被追踪时，进程暂停;典型应用就是 gdb断点 。调试进程退出，被调试的进程才能恢复TASK_RUNNING状态。
• Z (zombie): 进程退出后，PCB没有被回收。父进程没有对子进程收尸，就只能等父进程退出后，让爷进程来统一收尸。
• X (dead): 马上会被彻底销毁

1.2.2. 执行时的状态：

进程主要有三种状态：运行态、就绪态、阻塞态。

• 「运行态」和「就绪态」可以相互转换，通常由系统的进程调度引起的。
• 遇到阻塞代码，进程进入「阻塞态」，等待被唤醒；没有足够的运行资源时，进程会被挂起，进入「阻塞态」等待资源充足。
• 进程由「阻塞态」被唤醒，就会进入「就绪态」，等待被调度。

1.3. 进程间通信

1.3.1. 管道

父子进程间通讯。

1.3.2. 命名管道

去除了父子进程间通信的机制，通常用来汇聚多个客户端进程与服务端进程的通信。

1.3.3. 消息队列

独立于进程存在，进程间可以通过消息队列来传递数据，典型的模式是生产者-消费者模型。

1.3.4. 信号

一个进程可以给另一个进程发送信号SIGN来触发某些操作。

1.3.5. 共享内存

多个进程上不同的地址空间可以映射到同一块物理内存上，实现数据的共享。因为不涉及数据的拷贝，所以这是一种高效的通信方式。需要注意的是，多个进程并行时，需要通过同步机制保护共享内存的访问。

1.3.6. Socket 通信

调用TCP与UDP进行通讯。

1.3.7. 信号量

用来统计资源数量的。

• 整型信号量
  • 0: 繁忙，没有资源可用。
  • > 0: 资源有空闲。
  • 不能为负值
• 记录型信号量
  • 0: 繁忙，没有资源可用，也没有人过来等待资源。
  • > 0: 资源有空闲。
  • < 0: 没资源，等待队列下有人在那儿等着。

1.4. 僵尸进程和孤儿进程

• 僵尸进程： 父进程运行完毕，没有对「已经退出的子进程」进行收尸。
• 孤儿进程： 当父进程退出了，但是它的「子进程还没有退出」，这些子进程就变成了孤儿进程。孤儿进程只是暂时的，系统会在父进程退出时启动寻父机制，为子进程找到一个新的父亲。

1.5. 进程同步

进程同步： 进程同步是指控制进程按照一定顺序执行。只有处于临界区（指访问共享内存的代码片段）的进程才需要同步。

• 忙等待互斥（自旋锁）：当某个变量不满足条件时，会一直轮询直到变量值发送改变。用于忙等待的锁称为自旋锁。
• 信号量： 是一个整型变量，用来实现计数器功能，主要提供 down 和 up 操作（即 P 和 V 操作），这两个操作都是原子性的。当执行 down 操作使信号量值变为 0 时，会导致当前进程睡眠，而执行 up 操作 +1 时，会同时唤醒一个进程。
• 管程： 管程是由一个过程、变量和数据结构组成的一个集合，把需要控制的那部分代码独立出来执行，它有一个重要的特性，同一时刻在管程中只能有一个活跃的进程。为了避免一个进程一直占用管程，引入了条件变量和 wait 和 signal 操作。当发生当前进程无法运行时，执行 wait 操作，将当前进程阻塞，同时调入在管程外等待的另一进程执行，而另一个进程满足条件变量时，会执行 signal 操作将正在睡眠的进程唤醒，然后马上退出管程。
• 改造线程互斥锁： 这个得看系统支不支持。

2. 线程与进程

线程：进程中活动的对象，是CPU调度和分派的基本单位。一个进程可以由很多个线程组成，线程间共享进程的所有资源，每个线程会维护自己的堆，栈和寄存器值。线程由CPU独立调度执行，在多CPU环境下就允许多个线程同时运行。

进程: 资源分配的基本单位，程序执行时的一个实例。程序运行时系统就会创建一个进程，并为它分配资源，然后把该进程放入进程「就绪队列」，进程调度器选中它的时候就会为它分配CPU时间，程序开始真正运行。

3. 进程和程序

• 一个进程是程序执行时的一个实例，一个程序可以对应多个进程，但一个进程只能对应一个程序。
• 进程是动态的，而程序是静态的。
• 进程有一定的生命期，而程序是指令的集合，本身无运动的含义。

4. 线程

4.1. 线程的意义

• 在一个进程中会存在多种活动任务，需要有多个独立调度的单元来使这些任务可以并行的执行，这些单元就是线程。
• 线程比进程更轻量，它们比进程更快的创建，也更容易撤销。线程间切换的开销也比进程小，由于进程拥有大量的资源，当切换到另一个进程的时候，需要保存当前进程的所有资源，而线程间的切换只需要保存当前堆栈和相应寄存器的内容。

4.2. 线程同步

• 互斥锁： pthread_mutex_那一套
• 条件量： 引入信号机制，优化后的抢锁机制。
• 信号量： 同进程。
• 自旋锁： 同进程。

5. 并发和并行

并发： 一段时间内可以同时运行多道程序，对于CPU而言就是程序来回切换。 并行： 多个CPU同时运行程序，真正物理上的并发。