多進程編程知識匯總

什么是進程

1、進程和線程的區別

進程是指正在運行的程序，它擁有獨立的內存空間和系統資源，不同進程之間的數據不共享。進程是資源分配的基本單位。

線程是進程內的執行單元，它與同一進程內的其他線程共享進程的內存空間和系統資源。線程是調度的基本單位。

2、進程的創建和銷毀

在Linux中啟動一個進程有多種方法：

（1）通過system函數啟動進程。（使用簡單，效率較低）

#include?

/**
?*?@brief?執行系統命令調用命令處理器來執行命令
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?command:?包含被請求變量名稱的?C?字符串
?*
?*?@return?如果發生錯誤，則返回值為?-1，否則返回命令的狀態。
?*/
int?system(const?char?*command);

例子：通過system函數啟動一個進程，列出當前目錄下的文件及文件夾。

#include?
#include?

int?main(void)
{
????system("ls");
????printf("ls?end
");

????return?0;
}

（2）通過fork函數啟動進程。（用于啟動子進程）

#include?
#include?

/**
?*?@brief?fork系統調用用于創建一個子進程
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]
?*
?*?@return?如果發生錯誤，則返回值為?-1，否則返回命令的狀態。
?*/
pid_t?fork(void);

例子：通過fork函數啟動子進程

#include? #include? #include? #include? int?main(void)? { ????pid_t?res?=?fork(); ????///?0)? ????{ ????????printf("res?=?%d,?I?am?parent?process.?pid?=?%d ",?res,?getpid()); ????????int?child_status?=?0; ????????pid_t?child_pid?=?wait(&child_status);???///

編譯、運行：

我們使用了fork()系統調用來創建一個新進程。如果fork()返回值為0，則說明當前進程是子進程；如果返回值大于0，則說明當前進程是父進程。在父進程中，我們使用wait()系統調用來等待子進程結束。當子進程結束后，父進程會繼續執行。

（3）通過exec系列函數啟動進程。（用于啟動新進程，新進程會覆蓋舊進程）

#include?

/**
?*?@brief?啟動新進程，新進程會覆蓋舊進程
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?path:?所執行文件的路徑
?*?@param[in]?file:?所執行文件的名稱
?*?@param[in]?arg:?傳入的參數列表，以NULL作為結束
?*?@param[in]?envp:?傳入的環境變量
?*
?*?@return?如果發生錯誤，則返回值為?-1，否則返回命令的狀態。
?*/
int?execl(const?char?*path,?const?char?*arg,?...);
int?execlp(const?char?*file,?const?char?*arg,?...);
int?execle(const?char?*path,?const?char?*arg,?...,?char?*const?envp[]);
int?execv(const?char?*path,?char?*const?argv[]);
int?execvp(const?char?*file,?char?*const?argv[]);
int?execve(const?char?*path,?char?*const?argv[],?char?*const?envp[]);

例子：通過execl()函數的參數列表調用了ls命令程序

#include?
#include?

int?main(void)
{
????execl("/bin/ls",?"ls",?"-la",?NULL);
????printf("ls?end
");
????return?0;
}

execl()函數的參數列表調用了ls命令程序，與在終端上運行”ls -la”產生的結果是一樣的。

在Linux中終止一個進程有多種方法：

從main函數返回。（正常終止）

調用exit()函數終止。（正常終止）

調用_exit()函數終止。（正常終止）

調用abort()函數終止。（異常終止）

由系統信號終止。（異常終止）

進程間通信方式

進程間通信是指在不同進程之間傳播或交換信息的一種機制。每個進程各自有不同的用戶地址空間，任何一個進程的全局變量在另一個進程中都看不到，所以進程之間要交換數據必須通過內核，在內核中開辟一塊緩沖區，進程A把數據從用戶空間拷到內核緩沖區，進程B再從內核緩沖區把數據讀走，內核提供的這種機制稱為進程間通信。

進程間通信的目的：

傳輸數據。比如進程 A 負責生成數據，進程 B 負責處理數據，數據需要從 A 進程傳輸至 B 進程。

共享資源。比如進程 A 與進程 B 共享某一塊內存資源。

模塊化。將系統功能劃分為多個進程模塊進行開發，方便開發維護。

加速計算。多核處理器環境，一個特定進程劃分為幾個進程并行運行。

Linux IPC（Inter-process Comminication，進程間通信）的方式：

1、消息隊列

內核中的一個優先級隊列，多個進程通過訪問同一個隊列，進行添加結點或者獲取結點實現通信。

POSIX消息隊列頭文件：

#include????????????/*?For?O_*?constants?*/
#include?????????/*?For?mode?constants?*/
#include?

編譯鏈接需要加上 -lrt 鏈接。

消息隊列API接口：

/**
?*?@brief?創建消息隊列實例
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?name:?消息隊列名稱
?*?@param[in]?oflag：根據傳入標識來創建或者打開一個已創建的消息隊列
????????????????????-?O_CREAT:?創建一個消息隊列
????????????????????-?O_EXCL:?檢查消息隊列是否存在，一般與O_CREAT一起使用
????????????????????-?O_CREAT|O_EXCL:?消息隊列不存在則創建，已存在返回NULL
????????????????????-?O_NONBLOCK:?非阻塞模式打開，消息隊列不存在返回NULL
????????????????????-?O_RDONLY:?只讀模式打開
????????????????????-?O_WRONLY:?只寫模式打開
????????????????????-?O_RDWR:?讀寫模式打開
?*?@param[in]?mode：訪問權限
?*?@param[in]?attr：消息隊列屬性地址
?*
?*?@return?成功返回消息隊列描述符，失敗返回-1，錯誤碼存于error中
?*/
mqd_t?mq_open(const?char?*name,?int?oflag,??mode_t?mode,?struct?mq_attr?*attr);

/**
?*?@brief?無限阻塞方式接收消息
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?mqdes:?消息隊列描述符
?*?@param[in]?msg_ptr：消息體緩沖區地址
?*?@param[in]?msg_len：消息體長度，長度必須大于等于消息屬性設定的最大值
?*?@param[in]?msg_prio：消息優先級
?*
?*?@return?成功返回消息長度，失敗返回-1，錯誤碼存于error中
?*/
mqd_t?mq_receive(mqd_t?mqdes,?char?*msg_ptr,?size_t?msg_len,?unsigned?*msg_prio);

/**
?*?@brief?指定超時時間阻塞方式接收消息
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?mqdes:?消息隊列描述符
?*?@param[in]?msg_ptr：消息體緩沖區地址
?*?@param[in]?msg_len：消息體長度，長度必須大于等于消息屬性設定的最大值
?*?@param[in]?msg_prio：消息優先級
?*?@param[in]?abs_timeout：超時時間
?*
?*?@return?成功返回消息長度，失敗返回-1，錯誤碼存于error中
?*/
mqd_t?mq_timedreceive(mqd_t?mqdes,?char?*msg_ptr,?size_t?msg_len,?unsigned?*msg_prio,?const?struct?timespec?*abs_timeout);

/**
?*?@brief?無限阻塞方式發送消息
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?mqdes:?消息隊列描述符
?*?@param[in]?msg_ptr：待發送消息體緩沖區地址
?*?@param[in]?msg_len：消息體長度
?*?@param[in]?msg_prio：消息優先級
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
mqd_t?mq_send(mqd_t?mqdes,?const?char?*msg_ptr,?size_t?msg_len,?unsigned?msg_prio);

/**
?*?@brief?指定超時時間阻塞方式發送消息
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?mqdes:?消息隊列描述符
?*?@param[in]?msg_ptr：待發送消息體緩沖區地址
?*?@param[in]?msg_len：消息體長度
?*?@param[in]?msg_prio：消息優先級
?*?@param[in]?abs_timeout：超時時間
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
mqd_t?mq_timedsend(mqd_t?mqdes,?const?char?*msg_ptr,?size_t?msg_len,?unsigned?msg_prio,?const?struct?timespec?*abs_timeout);

/**
?*?@brief?關閉消息隊列
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?mqdes:?消息隊列描述符
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
mqd_t?mq_close(mqd_t?mqdes);

/**
?*?@brief?分離消息隊列
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?name:?消息隊列名稱
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
mqd_t?mq_unlink(const?char?*name);

消息隊列基本API接口使用例子：發送進程給接收進程發送測試數據。

send.c：

#include? #include? #include? #include? #include????????????/*?For?O_*?constants?*/ #include?????????/*?For?mode?constants?*/ #include? #define?MQ_MSG_MAX_SIZE????512??///

recv.c：

#include? #include? #include? #include? #include????????????/*?For?O_*?constants?*/ #include?????????/*?For?mode?constants?*/ #include? #define?MQ_MSG_MAX_SIZE????512??///

編譯、運行：

gcc?send.c?-o?send_process?-lrt
gcc?recv.c?-o?recv_process?-lrt

2、共享內存

消息隊列的讀取和寫入的過程，會有發生用戶態與內核態之間的消息拷貝過程。而共享內存的方式則沒有這個拷貝過程，進程間通信速度較快。

在物理內存上開辟一塊內存空間，多個進程可以將同一塊物理內存空間映射到自己的虛擬地址空間，通過自己的虛擬地址直接訪問這塊空間，通過這種方式實現數據共享。

POSIX共享內存頭文件：

#include?
#include?
#include?

共享內存API接口：

/**
?*?@brief?創建共享內存實例
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?name:?要打開或創建的共享內存文件名
?*?@param[in]?oflag：打開的文件操作屬性
????????????????????-?O_CREAT:?創建一個共享內存文件
????????????????????-?O_EXCL:?檢查共享內存是否存在，一般與O_CREAT一起使用
????????????????????-?O_CREAT|O_EXCL:?共享內存不存在則創建，已存在返回NULL
????????????????????-?O_NONBLOCK:?非阻塞模式打開，共享內存不存在返回NULL
????????????????????-?O_RDONLY:?只讀模式打開
????????????????????-?O_WRONLY:?只寫模式打開
????????????????????-?O_RDWR:?讀寫模式打開
?*?@param[in]?mode：文件共享模式，例如?0777
?*
?*?@return?成功返回共享內存描述符，失敗返回-1，錯誤碼存于error中
?*/
int?shm_open(const?char?*name,?int?oflag,?mode_t?mode);

/**
?*?@brief?刪除共享內存
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?name:?創建的共享內存文件名
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
int?shm_unlink(const?char?*name);

/**
?*?@brief?將打開的文件映射到內存
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?addr:?要將文件映射到的內存地址，一般應該傳遞NULL來由Linux內核指定
?*?@param[in]?length:?要映射的文件數據長度
?*?@param[in]?prot:?映射的內存區域的操作權限（保護屬性），包括PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ|PROT_WRITE
?*?@param[in]?flags:?標志位參數，包括：MAP_SHARED、MAP_PRIVATE與MAP_ANONYMOUS。
?*?@param[in]?fd:??用來建立映射區的文件描述符，用?shm_open打開或者open打開的文件
?*?@param[in]?offset:?映射文件相對于文件頭的偏移位置，應該按4096字節對齊
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
void?*mmap(void?*addr,?size_t?length,?int?prot,?int?flags,?int?fd,?off_t?offset);
?
/**
?*?@brief?取消內存映射
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?addr:?由mmap成功返回的地址
?*?@param[in]?length:?要取消的內存長度
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
int?munmap(void?*addr,?size_t?length);

/**
?*?@brief?將參數fd指定的文件大小改為參數length指定的大小
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?fd:?已打開的文件描述符，以寫入模式打開的文件
?*?@param[in]?length:?要設置的長度
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
int?ftruncate(int?fd,off_t?length);

/**
?*?@brief?獲取文件相關的信息，將獲取到的信息放入到statbuf結構體中
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?fd:?已打開的文件描述符
?*?@param[out]?statbuf:?文件的信息
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
int?fstat(int?fd,?struct?stat?*statbuf);

共享內存基本API接口使用例子：發送進程給接收進程發送測試數據。

send.c：

#include? #include? #include? #include? #include????????????/*?For?O_*?constants?*/ #include?????????/*?For?mode?constants?*/ #include? #define?SHM_NAME?"/shm" int?main(void) { ????int?ret?=?0; ????///

recv.c：

#include? #include? #include? #include? #include????????????/*?For?O_*?constants?*/ #include?????????/*?For?mode?constants?*/ #include? #define?SHM_NAME?"/shm" int?main(void) { ????///

編譯、運行：

gcc?send.c?-o?send_process?-lrt
gcc?recv.c?-o?recv_process?-lrt

對具有多個處理核系統消息傳遞的性能要優于共享內存。共享內存會有高速緩存一致性問題，這是由共享數據在多個高速緩存之間遷移而引起的。隨著系統的處理核的數量的日益增加，可能導致消息傳遞作為 IPC 的首選機制。

3、socket

UNIX域套接字與傳統基于TCP/IP協議棧的socket不同，unix domain socket以文件系統作為地址空間，不需經過TCP/IP的頭部封裝、報文ack確認、路由選擇、數據校驗與重傳過程，因此傳輸速率上也不會受網卡帶寬的限制。

unix domain socket在進程間通信同樣是基于“客戶端—服務器”（C-S）模式。

UNIX域套接字基本API接口使用例子：基于UNIX域套接字客戶端進程向服務端進程發送測試數據。

server.c：

#include? #include? #include? #include? #include????????????/*?For?O_*?constants?*/ #include?????????/*?For?mode?constants?*/ #include? #include? #include? #include? #define?SERVER_PATH?"/tmp/server"? int?main(void) { ?///

client.c：

編譯、運行：

gcc?server.c?-o?server_process
gcc?client.c?-o?client_process

類socket的其它進程間通信方式：

實用 | nanomsg通信庫的簡單使用分享

mqtt應用于進程間通信

4、管道

在內核中開辟一塊緩沖區；若多個進程拿到同一個管道(緩沖區)的操作句柄，就可以訪問同一個緩沖區，就可以進行通信。涉及到兩次用戶態與內核態之間的數據拷貝。

（1）匿名管道

內核中的緩沖區是沒有具體的標識符的，匿名管道只能用于具有親緣關系的進程間通信。

調用pipe接口可以創建一個匿名管道，并返回了兩個描述符，一個是管道的讀取端描述符 fd[0]，另一個是管道的寫入端描述符 fd[1]。

管道是一個半雙工通信(可以選擇方向的單向傳輸)

匿名管道基本API接口使用例子：父進程通過管道發送測試數據給子進程。

#include? #include? #include? #include? int?main() { ????///?0) ???{ ??///

編譯、運行：

如果需要雙向通信，則應該創建兩個管道。

（2）命名管道

命名管道也是內核中的一塊緩沖區，并且這個緩沖區具有標識符；這個標識符是一個可見于文件系統的管道文件，能夠被其他進程找到并打開管道文件，則可以獲取管道的操作句柄，所以該命名管道可用于同一主機上的任意進程間通信。

創建命名管道的接口：

int?mkfifo(const?char?*pathname,?mode_t?mode);

命名管道基本API接口使用例子：一個進程往管道中寫入測試數據，另一個進程從管道中讀取數據。

fifo_wr.c：

#include? #include? #include? #include? #include? #include? #include? #define?FIFO_PATH??"./fifo_file" typedef?struct?_msg_data { ????char?buf[128]; ????int?cnt; }msg_data_t; void?send_data(int?fd) { ????static?int?cnt?=?0; ????msg_data_t?send_data?=?{0}; ????cnt++; ????strcpy(send_data.buf,?"hello"); ????send_data.cnt?=?cnt; ????write(fd,?&send_data,?sizeof(send_data)); ????printf("send?msg?=?%s,?cnt?=?%d ",?send_data.buf,?send_data.cnt); } int?main(void) { ????///

fifo_rd.c：

編譯、運行：

gcc?fifo_wr.c?-o?fifo_wr
gcc?fifo_rd.c?-o?fifo_rd

5、信號量

信號量（Seamphore）是進程和線程間同步的一種機制。

信號量本質是一個非負的整型變量。增加一個可用資源執行加一，也稱為V操作；獲取一個資源資源后執行減一，也稱為P操作。

信號量根據信號值不同可分為兩類：

二值信號量，信號量值只有0和1，初始值為1，1表示資源可用，0表示資源不可用；二值信號量與互斥鎖類似。

計數信號量，信號量的值在0到一個大于1的限制值之間，信號值表示可用的資源的數目。

信號量根據作用對象不同可分為兩類：

有名信號量，信號值保存在文件中，用于進程間同步

無名信號量，又稱為基于內存信號量，信號值保存在內存中，用于線程間同步

POSIX信號量頭文件：

#include?

編譯鏈接需要加-lpthread參數。

信號量API接口：

/**
?*?@brief?創建信號量
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?name:?信號量名稱
?*?@param[in]?mode:?訪問權限
?*?@param[in]?value:?信號量初始值
?*
?*?@return?成功時返回指向信號量的指針，出錯時為SEM_FAILED
?*/
sem_t?*sem_open(const?char?*name,int?oflag,?mode_t?mode,?unsigned?int?value);

/**
?*?@brief?初始化信號量
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?sem:?信號量實例地址
?*?@param[in]?pshared:?信號量作用域，分為進程內作用域PTHREAD_PROCESS_PRIVATE和跨進程作用域PTHREAD_PROCESS_SHARED
?*?@param[in]?value:?信號量初始值
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
int?sem_init(sem_t?*sem,?int?pshared,?unsigned?int?value);

/**
?*?@brief?獲取信號量
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?sem:?信號量實例地址
?*?@param[out]?sval:?保存返回信號值地址
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
int?sem_getvalue(sem_t?*sem,?int?*sval);

/**
?*?@brief?阻塞方式等待信號量
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?sem:?信號量實例地址
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
int?sem_wait(sem_t?*sem);

/**
?*?@brief?指定超時時間阻塞方式等待信號量
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?sem:?信號量實例地址
?*?@param[in]?sem:?超時時間，單位為時鐘節拍
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
int?sem_timedwait(sem_t?*sem,?const?struct?timespec?*abs_timeout);

/**
?*?@brief?非阻塞方式等待信號量
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?sem:?信號量實例地址
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
int?sem_trywait(sem_t?*sem);

/**
?*?@brief?產生信號量
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?sem:?信號量實例地址
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
int?sem_post(sem_t?*sem);

/**
?*?@brief?銷毀信號量
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?sem:?信號量實例地址
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
int?sem_destroy(sem_t?*sem);

/**
?*?@brief?關閉信號量
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?sem:?信號量實例地址
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
int?sem_close(sem_t?*sem);

/**
?*?@brief?分離信號量
?*
?*?Detailed?function?description
?*
?*?@param[in]?name:?信號量名稱
?*
?*?@return?成功返回0，失敗返回-1
?*/
int?sem_unlink(const?char?*name);

信號量基本API接口使用例子：父子進程間通信

#include? #include? #include? #include? #include? #define?SEM_NAME?"sem" int?main?(void) { ????int?sem_val?=?0; ????///?0) ????{ ????????///

編譯、運行：