进程/线程

程序->进程

编译与链接的过程图

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• (无线程)进程是最小的运行单位
• (有线程)线程是最小的运行单位,进程是线程的容器

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Linux为每个进程维护了一个单独的虚拟地址空间

一个Linux进程的虚拟内存

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代码段(程序可以被多个进程共享)

进程标志符与进程、程序之间的关系

内核为系统中的每个进程维护一个单独的任务结构(task_struct)

• PID(pid_t,无符号整数)

用户模式和内核模式/上下文切换

进程上下文切换的剖析

Linux系统启动过程

• 0号内核进程->1号内核进程->init(execve(/etc/inittab-init程序))->1号用户进程(init进程)

进程的创建与结束

复制数据段/堆栈段,共享代码段

1. 对于父进程,fork()函数返回新创建的子进程的ID
2. 对于子进程,fork()函数返回0
3. 如果创建出错,则如此fork()函数返回-1

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1. 正常退出,return,执行完后把控制权交给调用函数
2. 正常退出,exit(),执行完后把控制权交给系统
3. 异常退出,abort()

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孤儿进程是父进程已退出,而子进程未退出

• 孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养,并由init进程对它们完成状态收集工作

僵尸进程是父进程未退出,而子进程已退出

• 当一个进程完成它的工作终止之后,它的父进程需要调用wait()或者waitpid()系统调用取得子进程的终止状态

守护进程

• 在Linux或者UNIX操作系统中在系统的引导的时候会开启很多服务,这些服务就叫作守护进程

#include <unistd.h>
int main() {
    static int a = 1;
    int b = 2;
    int *c = new int(3);

    pid_t pid;
    pid = fork();

    if (pid == -1) {
        cout << "fail";
        exit(-1);//echo $?
    } else if (pid == 0) {
        cout << getpid() << getppid() << endl;
        cout << ++a << ++b << ++*c << endl;
    } else {
        sleep(2);
        cout << getpid() << pid << endl;
        cout << a << b << *c << endl;
    }

    return 0;
}

进程间通信

• 管道(共享文件)
• 消息队列
• 共享内存
• 信号量
• 套接字

调度算法

• 先来先服务(FCFS)
• 短作业优先(SJF)
• 优先级
• 高响应比优先
• 时间片轮转

线程

复制栈,共享代码段/数据段/堆

多线程的创建与结束

pthreadjoin/pthread_exit

1. pthread_join一般是主线程来调用,用来等待子线程退出,因为是等待,所以是阻塞的,一般主线程会依次添加所有它创建的子线程
2. ptbread_exit一般是子线程调用,用来结束当前线程
3. 子线程可以通过pthread_exit传递一个返回值,而主线程通过 pthread_join获得该返回值,从而判断该子线程的退出是正常还是异常

多线程同步

临界资源

• 互斥锁(mutex)

#include<iostream>
#include<pthread.h>
using namespace std;

int num = 2;
pthread_mutex_t mutex_x = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *f(void *args) {
    long int para = *(int *) args;

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex_x);
        if (num > 0) {
            cout << pthread_self() << " " << num << endl;
            num--;
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex_x);

        int iRet = pthread_mutex_trylock(&mutex_x);
        if (iRet != EBUSY) {
            if (num > 0) {
                cout << pthread_self() << " " << num << endl;
                num--;
            }
            pthread_mutex_unlock(&mutex_x);
        }
    }

    pthread_exit((void *) para);
}

int main() {
    pthread_t tid[3];
    int para = 10;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        pthread_create(&tid[i], nullptr, f, &para);
    }

    void *retval;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        pthread_join(tid[i], &retval);
        cout << tid[i] << " " << (long int) retval << endl;
    }

    return 0;
}

• 条件变量(condition variable)(惊群现象)

#include<pthread.h>
using namespace std;

int x = 10;
int y = 20;
pthread_mutex_t mutex_x = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond_x = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void *f1(void *args) {
    pthread_mutex_lock(&mutex_x);
    if (x < y) {
        pthread_cond_wait(&cond_x, &mutex_x);
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex_x);

    pthread_exit((void *) 1);
}

void *f2(void *args) {
    pthread_mutex_lock(&mutex_x);
    if (x <= y) {
        x = 20;
        y = 10;
    }
    pthread_cond_signal(&cond_x);
    pthread_mutex_unlock(&mutex_x);

    pthread_exit((void *) 2);
}

int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, nullptr, f1, nullptr);
    pthread_create(&tid2, nullptr, f2, nullptr);

    void *retval;
    pthread_join(tid1, &retval);
    pthread_join(tid2, &retval);

    return 0;
}

• 读写锁(reader-writer lock)

pthread_rwlock_t rwlock_x = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock_x);
pthread_rwlock_tryrdlock(&rwlock_x);
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock_x);
pthread_rwlock_trywrlock(&rwlock_x);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock_x);

• 信号量(semphore)(多个线程,P(wait S--),V(signal S++))

#include<semaphore.h>
sem_t sem;
sem_init(&sem, 0, 2);
sem_wait(&sem);
sem_trywait(&sem);
sem_post(&sem);

• 分离

    pthread_t tid;
    pthread_attr_t attr;
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
    pthread_create(&tid, &attr, f, nullptr);

    pthread_create(&tid, nullptr, f, nullptr);
    pthread_detach(tid);

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• 生产者-消费者问题
• 读者-写者问题
• 哲学家进餐问题

死锁

• 互斥条件
• 不剥夺条件
• 请求和保持条件
• 循环等待条件

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• 银行家算法(死锁避免算法)