Linux 线程与进程，以及通讯
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部分转自：http://blog.chinaunix.net/uid-20620288-id-3025213.htmlhtml
1、首先要明确进程和线程的含义：java
进程（Process）是具备必定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。与程序相比，程序只是一组指令的有序集合，它自己没有任何运行的含义，只是一个静态实体。进程是程序在某个数据集上的执行，是一个动态实体。它因建立而产生，因调度而运行，因等待资源或事件而被处于等待状态，因完成任务而被撤消，反映了一个程序在必定的数据集上运行的所有动态过程。linux
每一个正在系统上运行的程序都是一个进程。每一个进程包含一到多个线程。进程也多是整个程序或者是部分程序的动态执行。线程是一组指令的集合，或者是程序的特殊段，它能够在程序里独立执行。也能够把它理解为代码运行的上下文。因此线程基本上是轻量级的进程，它负责在单个程序里执行多任务。一般由操做系统负责多个线程的调度和执行。算法
多线程是为了同步完成多项任务，不是为了提升运行效率，而是为了提升资源使用效率来提升系统的效率。线程是在同一时间须要完成多项任务的时候实现的。编程
使用线程的好处有如下几点：数组
a)使用线程能够把占据长时间的程序中的任务放到后台去处理服务器
b)用户界面能够更加吸引人，这样好比用户点击了一个按钮去触发某些事件的处理，能够弹出一个进度条来显示处理的进度网络
c)程序的运行速度可能加快数据结构
d)在一些等待的任务实现上如用户输入、文件读写和网络收发数据等，线程就比较有用了。在这种状况下咱们能够释放一些珍贵的资源如内存占用等等。
2、其次来看下线程和进程的关系
线程是属于进程的，线程运行在进程空间内，同一进程所产生的线程共享同一内存空间，当进程退出时该进程所产生的线程都会被强制退出并清除。线程可与属于同一进程的其它线程共享进程所拥有的所有资源，可是其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信息(如程序计数器、一组寄存器和栈)。
3、而后咱们来看下线程和进程间的比较
| 子进程继承父进程的属性： |
子线程继承主线程的属性： |
| 实际用户ID，实际组ID，有效用户ID，有效组ID； 附加组ID； 进程组ID； 会话ID； 控制终端； 设置用户ID标志和设置组ID标志； 当前工做目录； 根目录； 文件模式建立屏蔽字（umask）； 信号屏蔽和安排； 针对任一打开文件描述符的在执行时关闭（close-on-exec）标志； 环境； 链接的共享存储段； 存储映射； 资源限制； |
进程中的全部信息对该进程的全部线程都是共享的； 可执行的程序文本； 程序的全局内存； 堆内存； 栈； 文件描述符； 信号的处理是进程中全部线程共享的（注意：若是信号的默认处理是终止该进程那么便是把信号传给某个线程也同样会将进程杀掉）；
|
| 父子进程之间的区别： |
子线程特有的： |
| fork的返回值(=0子进程)； 进程ID不一样； 两个进程具备不一样的父进程ID； 子进程的tms_utime,tms_stime,tms_cutime以及tms_ustime均被设置为0； 不继承父进程设置的文件锁； 子进程的未处理闹钟被清除； 子进程的未处理信号集设置为空集； |
线程ID； 一组寄存器值； 栈； 调度优先级和策略； 信号屏蔽字； errno变量； 线程私有数据； |
3、设计时考虑的使用技巧
1.尽可能避免长驻内存的进程，例如那些不多用到的功能，或周期性很长（10分钟以上），把它们的功能提取出来，作成一个小的应用程序。须要的时候再把它们拉起来（如经过crontab配置，或直接system）。
2.把目标设计成子功能系统的组合可用提升重用的易用性和维护性。
把目标根据功能划分不一样的子系统，子系统间遵循特定的协议（文本或XML），由通信联系起来，协做完成目标。
也就是说，咱们在作设计的时候能够以下考虑：
一、线程的建立以及线程间的通讯和同步都比进程要快。在多核CPU上的任务分割是对线程而言的，不是进程。
二、若是不须要频繁的建立和销毁 执行的效率是并很少的，须要频繁建立的话，线程快。
三、其它的就根据你的实际状况选择了， 要是没有数据通讯什么的，线程间的通讯比进程间方便。最关键的一点,多线程可让同一个程序的不一样部分并发执行。
因此在作安防系统的时候，报警系统和监控系统之间能够用多进程来作，对于报警系统中能够用多线程来实现若是发生意外，能够向用户发送消息，同时鸣笛，以及若是是火警的话，能够打开阀门等。
进程间通讯
unix系统主要进程间通讯机制（IPC）
管道
FIFO(命名管道)
消息队列
共享内存
信号量
套接字
3. 管道
详细请见:
http://blog.chinaunix.net/space.php?uid=25324849&do=blog&id=207407
管道是最多见的IPC机制，是单工的，若是要两个进程实现双向传输则须要两个管道，管道建立的时候既有两端，一个读端和一个写端。两个进程要协调好，一个进程从读的方向读，一个进程从写的方向写，而且只能在关系进程间进行，好比父子进程，经过系统调用pipe()函数实现。
#include
int pipe(int fd[2]);
fd[0]：文件描述符，用于读操做
fd[1]：文件描述符，用于写操做
返回值：成功返回0，若是建立失败将返回-1并记录错误码
4. FIFO
详细请见:
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FIFO又称命名管道，经过FIFO的通讯能够发生在任何两个进程之间，且只须要对FIFO有适当的访问权限，对FIFO的读写操做与普通文件相似，命名管道的建立是经过mkfifo()函数建立的。
#include
int mkfifo(const char *filename, mode_t mode)
filename：命名管道的文件名
mode：访问权限
返回值：若成功则返回0，不然返回-1，错误缘由存于errno中。
4.1 FIFO服务器实例
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVER_FIFO_NAME "./serv_fifo"
#define CLIENT_FIFO_NAME "./cli_%d_fifo"
#define BUFFER_SIZE 20
struct data_to_pass_st {
pid_t client_pid;
char some_data[BUFFER_SIZE - 1];
};
int main()
{
int server_fifo_fd, client_fifo_fd;
struct data_to_pass_st my_data;
int read_res;
char client_fifo[256];
char *tmp_char_ptr;
mkfifo(SERVER_FIFO_NAME, 0777);
server_fifo_fd = open(SERVER_FIFO_NAME, O_RDONLY);
if (server_fifo_fd == -1) {
fprintf(stderr, "Server fifo failure\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
sleep(10); /* lets clients queue for demo purposes */
do {
read_res = read(server_fifo_fd, &my_data, sizeof(my_data));
if (read_res > 0) {
tmp_char_ptr = my_data.some_data;
while (*tmp_char_ptr) {
*tmp_char_ptr = toupper(*tmp_char_ptr);
tmp_char_ptr++;
}
sprintf(client_fifo, CLIENT_FIFO_NAME, my_data.client_pid);
client_fifo_fd = open(client_fifo, O_WRONLY);
if (client_fifo_fd != -1) {
write(client_fifo_fd, &my_data, sizeof(my_data));
close(client_fifo_fd);
}
}
} while (read_res > 0);
close(server_fifo_fd);
unlink(SERVER_FIFO_NAME);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
4.2 FIFO客户实例
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVER_FIFO_NAME "./serv_fifo"
#define CLIENT_FIFO_NAME "./cli_%d_fifo"
#define BUFFER_SIZE 20
struct data_to_pass_st {
pid_t client_pid;
char some_data[BUFFER_SIZE - 1];
};
int main()
{
int server_fifo_fd, client_fifo_fd;
struct data_to_pass_st my_data;
int times_to_send;
char client_fifo[256];
server_fifo_fd = open(SERVER_FIFO_NAME, O_WRONLY);
if (server_fifo_fd == -1) {
fprintf(stderr, "Sorry, no server\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
my_data.client_pid = getpid();
sprintf(client_fifo, CLIENT_FIFO_NAME, my_data.client_pid);
if (mkfifo(client_fifo, 0777) == -1) {
fprintf(stderr, "Sorry, can't make %s\n", client_fifo);
exit(EXIT_FAILURE);
}
for (times_to_send = 0; times_to_send < 5; times_to_send++) {
sprintf(my_data.some_data, "Hello from %d", my_data.client_pid);
printf("%d sent %s, ", my_data.client_pid, my_data.some_data);
write(server_fifo_fd, &my_data, sizeof(my_data));
client_fifo_fd = open(client_fifo, O_RDONLY);
if (client_fifo_fd != -1) {
if (read(client_fifo_fd, &my_data, sizeof(my_data)) > 0) {
printf("received: %s\n", my_data.some_data);
}
close(client_fifo_fd);
}
}
close(server_fifo_fd);
unlink(client_fifo);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
5. 消息队列
详细请见：
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消息队列有以下特色：
（1） 经过消息队列key值来定义和生成消息队列
（2） 任何进程只要有访问权限而且知道key就能够访问消息队列
（3） 消息队列为内存块方式数据段
（4） 消息队列的消息长度可为系统参数限制内的任何长度
（5） 消息队列有消息类型，访问能够按类型访问
（6） 在一次读写操做前都必须取得消息标识符，即访问权，访问后脱离关系
（7） 消息队列中的某条消息被读后当即自动的从消息队列中删除
（8） 消息队列具备加锁处理机制
（9） 在权限容许时，消息队列的信息能够双向传递
6. 共享内存
详细请见：
http://blog.chinaunix.net/space.php?uid=25324849&do=blog&id=207467
共享内存是效率最高的IPC机制，他容许任何两个进程访问相同的逻辑内存区，它具备一下特色：
（1） 经过共享内存key值定义和生成共享内存
（2） 任何进程只要有访问权限而且知道key就能够访问共享内存
（3） 共享内存为内存块方式数据段
（4） 共享内存的消息长度可为系统参数限制内的任何长度
（5） 共享内存的访问方式与数组的访问方式相同
（6） 在取得共享内存标识符将共享内存与进程数据段链接后便可以开始对其进行读写操做，在全部操做完成以后再作共享内存与进程数据段的脱离操做，才完成内存访问的过程
（7） 共享内存中的数据不会由于数据被进程读取后消失
（8） 共享内存不具有锁机制，全部共享内存最好与信号量一块儿使用来保证数据的一致性
（9） 在权限容许时，共享内存的信息传递时双向的
7. 信号量
详细请见：
http://blog.chinaunix.net/space.php?uid=25324849&do=blog&id=207464
信号量是一种同步机制，主要用途是保护临界资源（在一个时刻只能被一个进程所拥有），一般与共享内存一块儿使用。
6.1 semget()函数
#include
int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags)
key:信号量集合的键
num_sems:信号量集合里面元素个数
sem_flags:任选参数
返回值：返回信号量集合标识符，出错返回-1
6.2 semop()函数
#include
int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_ops , size_t num_sem_ops)
sem_id: 信号量集合标识符
sem_ops：信号量操做结构的指针
num_sem_ops：信号量操做结构的个数
6.3 semctl)函数
#include
int semctl (int sem_id, int sem_num, int command, …)
sem_id: 信号量集合标识符
sem_num：信号量元素编号
command：控制命令
…：命令参数列表
返回值：根据命令返回相应的值，出错返回-1
http://timyang.net/linux/linux-process/
上周碰到部署在真实服务器上某个应用CPU占用太高的问题，虽然通过tuning, 问题貌似已经解决，但我对tuning的方式只是基于大胆的假设并最终生效了。我更但愿更多的求证一下程序背后CPU及OS kernel当时的运做机制。因此我读了一些Linux内核设计与实现及其余一些相关资料，对Linux process的机制与切换有了更多一些体会。本文尽量条理一点，但因为牵涉点较多，同时本身可能以为某些点有记录的价值，所以文字可能会零散。
- 进程状态
Linux进程的状态比较容易理解，值得注意的是 UNINTERRUPTIBLE 及 ZOMBIE
TASK_RUNNING
TASK_INTERRUPTIBLE
TASK_UNINTERRUPTIBLE 此时进程不接收信号，这就是为何有时候kill一个繁忙的进程没有响应。
TASK_ZOMBIE 咱们常常 kill -9 pid 以后运行ps会发现被kill的进程仍然存在，状态为 zombie。zombie的进程实际上已经结束，占用的资源也已经释放，仅因为kernel的相关进程描述符还未释放。
TASK_STOPPED
- Kernel space and user space
Kernel space是供内核，设备驱动运行的内存区域。user space是供普通应用程序运行的区域。每个进程都运行在本身的虚拟内存区域，不能访问其余进程的内存空间。普通进程不能访问kernel space, 只能经过系统调用来间接进行。当系统内存比较紧张时，非当前运行进程user space可能会被swap到磁盘。
使用命令 pmap -x 能够查看进程的内存占用信息； lsof -a -p 能够查看一个进程打开的文件信息。ps -Lf 能够查看进程的线程数。
另外procfs也是一个分析进程结构的好地方。procfs是一个虚拟的文件系统，它把系统中正在运行的进程都显如今/proc/目录下。
- 进程建立
进程建立一般调用fork实现。建立后子进程和父进程指向同一内存区域，仅当子进程有write发生时候，才会把改动的区域copy到子进程新的地址空间，这就是copy-on-write技术，它极大的提升了建立进程的速度。
- Linux的线程实现
Linux线程是经过进程来实现。Linux kernel为进程建立提供一个clone()系统调用，clone的参数包括如 CLONE_VM, CLONE_FILES, CLONE_SIGHAND 等。经过clone()的参数，新建立的进程，也称为LWP(Lightweight process)与父进程共享内存空间，文件句柄，信号处理等，从而达到建立线程相同的目的。
Linux 2.6的线程库叫NPTL(Native POSIX Thread Library)。POSIX thread(pthread)是一个编程规范，经过此规范开发的多线程程序具备良好的跨平台特性。尽管是基于进程的实现，但新版的NPTL建立线程的效率很是高。一些测试显示，基于NPTL的内核建立10万个线程只须要2秒，而没有NPTL支持的内核则须要长达15分钟。
在Linux 2.6以前，Linux kernel并无真正的thread支持，一些thread library都是在clone()基础上的一些基于user space的封装，所以一般在信号处理、进程调度(每一个进程须要一个额外的调度线程)及多线程之间同步共享资源等方面存在必定问题。为了解决这些问题，当年IBM曾经开发一套NGPT(Next Generation POSIX Threads), 效率比 LinuxThreads有明显改进，但因为NPTL的推出，NGPT也完成了相关的历史使命并中止了开发。
NPTL的实现是在kernel增长了futex(fast userspace mutex)支持用于处理线程之间的sleep与wake。futex是一种高效的对共享资源互斥访问的算法。kernel在里面起仲裁做用，但一般都由进程自行完成。
NPTL是一个1×1的线程模型，即一个线程对于一个操做系统的调度进程，优势是很是简单。而其余一些操做系统好比Solaris则是MxN的，M对应建立的线程数，N对应操做系统能够运行的实体。(N<m)，优势是线程切换快，但实现稍复杂。< p="">
- 信号
进程接收信号有两种：同步和异步。同步信号好比SEGILL(非法访问), SIGSEGV(segmentation fault)等。发生此类信号以后，系统会当即转到内核陷阱处理程序，所以同步信号也称为陷阱。异步信号如kill, lwp_kill, sigsend等调用产生的都是，异步信号也称为中断。
kill 调用的是 SIGTERM, 此信号能够被捕获和忽略。
kill -9 调用的是 SIGKILL, 杀掉进程，不能被捕获和忽略。
SIGHUP是在终端被断开时候调用，若是信号没有被处理，进程会终止。这就是为何忽然断网刚经过远程终端启动的进程都终止的缘由。防止的方法是在启动的命令前加上 nohup 命令来忽略 SIGHUP信号。如 nohup ./startup.sh &
不少应用程序一般捕获SIGHUP用来实现一些自定义特性，好比经过控制台传递信号让正在运行的程序从新加载配置文件，避免重启带来的中止服务的反作用。惋惜的是，在JAVA中无法直接使用这一功能，SUN JVM没有官方的signal支持，尽管它已经能够实现，详情可参看Singals and Java.
另外有个有趣的现象是 zombie 状态的进程 kill/kill -9 都没有任何做用，这是因为进程自己已经不存在，因此没有相应的进程来处理signal, zombie状态的进程只是kernel中的进程描述符及相关数据结构没有释放，但进程实体已经不存在了。
关于僵尸进程，也可参看下酷壳上的这篇Linux 的僵尸(zombie)进程，从程序的角度解释了相关原理。
- 1. JAVA线程与线程、进程与进程间通讯
- 2. 进程与线程的区别？ 进程间通讯与线程间通讯
- 3. 死锁、进程通讯以及进程线程的区别
- 4. 进程的同步与通讯，进程与线程同步的区别，进程与线程通讯的区别
- 5. 操做系统实验 进程与线程——Linux进程与线程通讯
- 6. 进程通讯和线程通讯
- 7. Linux下进程间通讯方式与线程间通信
- 8. 进程间通讯与线程间通讯
- 9. 线程与进程的区别及其通讯方式
- 10. Linux进程线程初探（多进程与进程间通讯-管道）
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