Linux进程、线程与进程间通信

一、什么是进程、线程
    进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位.线程是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位.线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈),但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源.
    一个线程可以创建和撤销另一个线程;同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。线程的引入：例如，有一个Web服务器要进程的方式并发地处理来自不同用户的网页访问请求的话，可以创建父进程和多个子进程的方式来进行处理，但是创建一个进程要花费较大的系统开销和占用较多的资源。除外，这些不同的用户子进程在执行的时候涉及到进程上下文切换，上下文切换是一个复杂的过程。所以，为了减少进程切换和创建的开销，提高执行效率和节省资源，人们在操作系统中引入了"线程（thread）"的概念。
    进程的作用和定义：进程是为了提高CPU的执行效率，减少因为程序等待带来的CPU空转以及其他计算机软硬件资源的浪费而提出来的。进程是为了完成用户任务所需要的程序的一次执行过程和为其分配资源的一个基本单位，是一个具有独立功能的程序段对某个数据集的一次执行活动。
二、进程与线程的区别
1、 线程是进程的一部分，所以线程有的时候被称为是轻权进程或者轻量级进程。
2、 一个没有线程的进程是可以被看作单线程的，如果一个进程内拥有多个进程，进程的执行过程不是一条线（线程）的，而是多条线（线程）共同完成的。
3、 系统在运行的时候会为每个进程分配不同的内存区域，但是不会为线程分配内存（线程所使用的资源是它所属的进程的资源），线程组只能共享资源。那就是说，出了CPU之外（线程在运行的时候要占用CPU资源），计算机内部的软硬件资源的分配与线程无关，线程只能共享它所属进程的资源。
4、 与进程的控制表PCB相似，线程也有自己的控制表TCB，但是TCB中所保存的线程状态比PCB表中少多了。
5、 进程是系统所有资源分配时候的一个基本单位，拥有一个完整的虚拟空间地址，并不依赖线程而独立存在。
三、进程间通信
1、 管道( pipe )：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系
2、有名管道 (named pipe) ： 有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。 
3、 信号量( semophore ) ： 信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。 
4、 消息队列( message queue ) ： 消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
5、信号 ( sinal ) ： 信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。 
6、 共享内存( shared memory ) ：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号量配合使用，来实现进程间的同步和通信。 
7、 套接字( socket ) ： 套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程信。
四、线程间通信
1、线程互斥

　　互斥意味着“排它”，即两个线程不能同时进入被互斥保护的代码。Linux下可以通过pthread_mutex_t 定义互斥体机制完成多线程的互斥操作，该机制的作用是对某个需要互斥的部分，在进入时先得到互斥体，如果没有得到互斥体，表明互斥部分被其它线程拥有，此时欲获取互斥体的线程阻塞，直到拥有该互斥体的线程完成互斥部分的操作为止。下面的代码实现了对共享全局变量x 用互斥体mutex 进行保护的目的：

int x; // 进程中的全局变量
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); //按缺省的属性初始化互斥体变量mutex
pthread_mutex_lock(&mutex); // 给互斥体变量加锁
… //对变量x 的操作
phtread_mutex_unlock(&mutex); // 给互斥体变量解除锁

2、线程同步　　
    同步就是线程等待某个事件的发生。只有当等待的事件发生线程才继续执行，否则线程挂起并放弃处理器。当多个线程协作时，相互作用的任务必须在一定的条件下同步。
Linux下的C语言编程有多种线程同步机制，最典型的是条件变量(condition variable)。pthread_cond_init用来创建一个条件变量，其函数原型为：

pthread_cond_init (pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);

pthread_cond_wait和pthread_cond_timedwait用来等待条件变量被设置，值得注意的是这两个等待调用需要一个已经上锁的互斥体mutex，这是为了防止在真正进入等待状态之前别的线程有可能设置该条件变量而产生竞争。pthread_cond_wait的函数原型为：

pthread_cond_wait (pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

pthread_cond_broadcast用于设置条件变量，即使得事件发生，这样等待该事件的线程将不再阻塞：

pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *cond) ;

pthread_cond_signal则用于解除某一个等待线程的阻塞状态：

pthread_cond_signal (pthread_cond_t *cond) ;

pthread_cond_destroy 则用于释放一个条件变量的资源。
　　在头文件semaphore.h 中定义的信号量则完成了互斥体和条件变量的封装，按照多线程程序设计中访问控制机制，控制对资源的同步访问，提供程序设计人员更方便的调用接口。

sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int val);

这个函数初始化一个信号量sem 的值为val，参数pshared 是共享属性控制，表明是否在进程间共享。

sem_wait(sem_t *sem);

调用该函数时，若sem为无状态，调用线程阻塞，等待信号量sem值增加(post )成为有信号状态；若sem为有状态，调用线程顺序执行，但信号量的值减一。

sem_post(sem_t *sem);

调用该函数，信号量sem的值增加，可以从无信号状态变为有信号状态。  
3、读写锁

在对数据的读写应用中，更多的是读操作，而写操作较少，例如对数据库数据的读写应用。为了满足当前能够允许多个读出，但只允许一个写入的需求，线程提供了读写锁来实现。

（1）如果有其它线程读数据，则允许其它线程执行读操作，但不允许写操作；

（2）如果有其它线程写数据，则其它线程的读、写操作均允许。
因此，其将该锁分为了读锁和写锁。

（1）如果某线程申请了读锁，其它线程可以再申请读锁，但不能申请写锁；

（2）如果某线程申请了写锁，则其它线程不能申请读锁，也不能申请写锁。

4、信号

（1）每一个线程可以向别的线程发送信号。pthread_kill()函数用来完成这一操作。

（2）每一个线程可以设置自己的信号阻塞集合。pthread_sigmask()函数用来完成这一操作，其类似于进程的sigprocmask()函数。

（3）每个线可以设置针对某信号处理的方式，但同一进程中对某信号的处理方式只能有一个有效，即最后一次设置的处理方式。

（4）如果别的进程向当前进程中发送一个信号，由哪个线程处理是未知的。

5、实例
    下面我们还是以名的生产者/消费者问题为例来阐述Linux线程的控制和通信。一组生产者线程与一组消费者线程通过缓冲区发生联系。生产者线程将生产的产品送入缓冲区，消费者线程则从中取出产品。缓冲区有N 个，是一个环形的缓冲池。

#include
#include
#define BUFFER_SIZE 16 // 缓冲区数量
struct prodcons
{
// 缓冲区相关数据结构
int buffer[BUFFER_SIZE]; /* 实际数据存放的数组*/
pthread_mutex_t lock; /* 互斥体lock 用于对缓冲区的互斥操作 */
int readpos, writepos; /* 读写指针*/
pthread_cond_t notempty; /* 缓冲区非空的条件变量 */
pthread_cond_t notfull; /* 缓冲区未满的条件变量 */
};
/* 初始化缓冲区结构 */
void init(struct prodcons *b)
{
pthread_mutex_init(&b->lock, NULL);
pthread_cond_init(&b->notempty, NULL);
pthread_cond_init(&b->notfull, NULL);
b->readpos = 0;
b->writepos = 0;
}
/* 将产品放入缓冲区,这里是存入一个整数*/
void put(struct prodcons *b, int data)
{
pthread_mutex_lock(&b->lock);
/* 等待缓冲区未满*/
if ((b->writepos + 1) % BUFFER_SIZE == b->readpos)
{
pthread_cond_wait(&b->notfull, &b->lock);
}
/* 写数据,并移动指针 */
b->buffer[b->writepos] = data;
b->writepos++;
if (b->writepos > = BUFFER_SIZE)
b->writepos = 0;
/* 设置缓冲区非空的条件变量*/
pthread_cond_signal(&b->notempty);
pthread_mutex_unlock(&b->lock);
} 
/* 从缓冲区中取出整数*/
int get(struct prodcons *b)
{
int data;
pthread_mutex_lock(&b->lock);
/* 等待缓冲区非空*/
if (b->writepos == b->readpos)
{
pthread_cond_wait(&b->notempty, &b->lock);
}
/* 读数据,移动读指针*/
data = b->buffer[b->readpos];
b->readpos++;
if (b->readpos > = BUFFER_SIZE)
b->readpos = 0;
/* 设置缓冲区未满的条件变量*/
pthread_cond_signal(&b->notfull);
pthread_mutex_unlock(&b->lock);
return data;
}
/* 测试:生产者线程将1 到10000 的整数送入缓冲区,消费者线
程从缓冲区中获取整数,两者都打印信息*/
#define OVER ( - 1)
struct prodcons buffer;
void *producer(void *data)
{
int n;
for (n = 0; n < 10000; n++)
{
printf("%d --->\n", n);
put(&buffer, n);
} put(&buffer, OVER);
return NULL;
}
void *consumer(void *data)
{
int d;
while (1)
{
d = get(&buffer);
if (d == OVER)
break;
printf("--->%d \n", d);
}
return NULL;
}

int main(void)
{
pthread_t th_a, th_b;
void *retval;
init(&buffer);
/* 创建生产者和消费者线程*/
pthread_create(&th_a, NULL, producer, 0);
pthread_create(&th_b, NULL, consumer, 0);
/* 等待两个线程结束*/
pthread_join(th_a, &retval);
pthread_join(th_b, &retval);
return 0;
}