LV.5 进程、线程和进程间通信思维导图模板

D1 进程的创建和回收

进程概念

概念

程序

存放在磁盘上的指令和数据的有序集合（文件）

静态的

进程

执行一个程序所分配的资源的总称

进程是程序的一次执行过程

动态的，包括创建、调度、执行和消亡

进程内容

内容

进程控制块

进程控制块（pcb)

进程标识PID

进程用户

进程状态、优先级

文件描述符表

进程类型

交互进程

交互进程：在shell下启动。以在前台运行，也可以在后台运行

批处理进程

批处理进程：和在终端无关，被提交到一个作业队列中以便顺序执行

守护进程

守护进程：和终端无关，一直在后台运行

进程状态

运行态：进程正在运行，或者准备运行

停止态：进程被中止，收到信号后可继续运行

死亡态：已终止的进程，但pcb没有被释放

进程状态图

进程常用命令

查看进程信息

ps

查看系统进程快照

top

查看进程动态信息

/proc

查看进程详细信息

进程相关命令

nice

按用户指定的优先级运行进程

renice

改变正在运行进程的优先级

jobs

查看后台进程

bg

将挂起的进程在后台运行

fg

把后台运行的进程放到前台运行

创建子进程

子进程概念

子进程为由另外一个进程（对应称之为父进程）所创建的进程

子进程创建

fork

示例

父子进程

子进程继承了父进程的内容

父子进程有独立的地址空间，互不影响

若父进程先结束 1.子进程成为孤儿进程，被init进程收养 2.子进程变成后台进程

若子进程先结束：父进程如果没有及时回收，子进程变成僵尸进程

思考

例题：通过父进程创建5个子进程

参考代码

进程的退出

进程结束

exit/_exit

示例

进程的回收

进程回收

概念

子进程结束时由父进程回收

孤儿进程由init进程回收

若没有及时回收会出现僵尸进程

wait/waitpid

示例

进程返回值和结束方式

D2 exec函数族和守护进程

exec函数族

概念

进程调用exec函数族执行某个程序

进程当前内容被指定的程序替换

实现让父子进程执行不同的程序

流程

execl/execlp

示例

execv/execvp

示例

system

守护进程概念

简介

守护进程(Daemon Process)是Linux三种进程类型之一

是 Linux 中的后台服务进程

是一个生存期较长的进程，通常独立于控制终端并且周期性地执行某种任务或等待处理某些发生的事件

特点

始终在后台运行

独立于任何终端

周期性的执行某种任务或等待处理特定事件

相关概念

进程组（Process Group）： 进程集合，每个进程组有一个组长（Leader），其进程 ID 就是该进程组 ID。

会话（Session）： 进程组集合，每个会话有一个组长，其进程 ID 就是该会话组 ID。

控制终端（Controlling Terminal）：每个会话可以有一个单独的控制终端，与控制终端连接的 Leader 就是控制进程（Controlling Process）。

守护进程的创建

1. 创建子进程，父进程退出

2. 子进程创建新会话

3. 更改当前工作目录

4. 重设文件权限掩码

5. 关闭打开的文件描述符

守护进程的实现

示例：创建守护进程，每隔1秒将系统时间写入文件time.log

GDB调试多进程程序

D3 线程的创建和回收

线程的创建

进程概念

进程有独立的地址空间

Linux为每个进程创建task_struct

每个进程都参与内核调度，互不影响

线程概念

进程在切换时系统开销大

很多操作系统引入了轻量级进程LWP

同一进程中的线程共享相同地址空间

Linux不区分进程、线程

线程特点

通常线程指的是共享相同地址空间的多个任务

使用多线程的好处：1.大大提高了任务切换的效率 2.避免了额外的TLB & cache的刷新

线程共享资源

可执行的指令

静态数据

进程中打开的文件描述符

当前工作目录

用户ID

用户组ID

线程私有资源

线程ID (TID)

PC(程序计数器)和相关寄存器

堆栈

错误号 (errno)

优先级

执行状态和属性

Linux线程库

基本操作

创建线程

回收线程

结束线程

同步互斥机制

信号量

互斥锁

线程创建

pthread_create

示例

线程结束

pthread_exit

线程查看

pthread_self

线程查看命令

ps -eLf

线程的参数传递

pthread_reate

示例

示例2

线程的回收

线程回收

pthread_join

示例

线程分离

pthread_detach

示例1

示例2

线程回收内存演示

示例

D4 线程的取消和互斥

线程的取消

pthread_cancel

示例

线程的清理

pthread_cleanup_push/pthread_cleanup_pop

示例

互斥锁的概念和使用

互斥概念

临界资源

一次只允许一个任务(进程、线程)访问的共享资源

临界区

访问临界资源的代码

互斥机制

mutex互斥锁：任务访问临界资源前申请锁，访问完后释放锁

互斥锁的使用

方法

初始化(创建)

动态方式

pthread_mutex_init

静态方式

PTHREAD_MUTEX_INITALIZER

申请

pthread_mutex_lock/pthread_mutex_trylock

释放

pthread_mutex_unlock

销毁

pthread_mutex_destroy

示例

读写锁概念和使用

概念

使用

示例

死锁的避免

示例

D5 条件变量和进程池

条件变量

应用场景

生产者消费者问题，是线程同步的一种手段

必要性

为了实现等待某个资源，让线程休眠。提高运行效率

方法

pthread_cond_init

pthread_cond_wait

pthred_cond_timedwait

pthread_cond_signal

pthread_cond_broadcast

pthread_cond_destroy

使用步骤

初始化

静态初始化

动态初始化

生产资源线程

开始产生资源

消费者线程

示例

出租车模型

线程池

概念

通俗的讲就是一个线程的池子，可以循环的完成任务的一组线程集合

必要性

线程池的基本结构

任务队列，存储需要处理的任务，由工作线程来处理这些任务

线程池工作线程，它是任务队列任务的消费者，等待新任务的信号

线程池的实现

1. 创建线程池的基本结构

2. 线程池的初始化

3. 线程池添加任务

4. 实现工作线程

5. 线程池的销毁

示例代码

D6 有名管道和无名管道

进程间通讯介绍

无名管道（pipe）

有名管道（fifo）

信号（signal）

共享内存（mmap）

套接字（socket）

System V IPC

共享内存（share memory）

消息队列（message quiui）

信号灯集（semaphore set）

无名管道基础

介绍

图解

特点

只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信

单工的通信模式，具有固定的读端和写端

无名管道创建时会返回两个文件描述符，分别用于读写管道

功能

无名管道创建

pipe

通讯图解

注意事项

读写特性

读管道

写管道

示例1

示例2

示例3

有名管道

创建

特点

注意事项

示例

D7 共享内存

共享内存

概念

内存映射概念

mmap的优点

实现了用户空间和内核空间的高效交互方式

提供方法

mmap

注意事项

示例:基本使用

示例：匿名映射

system V IPC 共享内存

System V IPC 介绍

IPC对象包含：共享内存、消息队列和信号灯集

每个IPC对象有唯一的ID用Key关联

IPC对象创建后一直存在，直到被显式的删除

ipcs / ipcrm

共享内存特点

共享内存是一种最为高效的进程间通信方式， 进程可共享内存是一种最为高效的进程间通信方式，进程可 以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝

共享内存在内核空间创建，可被进程映射到用户空间共享内存在内核空间创建，可被进程映射到用户空间 访问，使用灵活访问，使用灵活

由于多个进程可同时访问共享内存，因此需要同步和由于多个进程可同时访问共享内存，因此需要同步和 互斥机制配合使用互斥机制配合使用

使用步骤

1. 生成Key

示例

2. 创建/打开共享内存

3. 映射共享内存

4. 读写共享内存

5. 撤销共享内存映射

6. 删除共享内存对象

注意事项

每块共享内存有大小限制

共享内存删除的时间点

应用：进程间通讯

D8 信号机制

概念

信号机制

信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，是一种异步通信方式

linux内核通过信号通知用户进程，不同的信号类型代表不同的事件

Linux对早期的unix信号机制进行了扩展

进程对信号的响应方式

缺省方式

忽略信号

捕捉信号

信号的产生

按键产生

系统调用函数产生（比如raise， kill）

硬件异常

命令行产生 （kill）

软件条件（比如被0除，访问非法内存等）

常用信号1

SIGHUP

SIGINT

SIGQUIT

SIGILL

SIGSEV

SIGPIPE

常用信号2

SIGKILL

SIGSTOP

SIGTSTP

SIGCONT

SIGALRM

SIGUSR1/2

信号相关命令

kill / killall