并发程序设计

一、进程的创建和回收

(一)进程的概念

1、进程！=程序

程序是静态的，而进程是动态的，进程是程序执行的一种状态。

2、进程和程序的区别

1）进程控制块中包含进程的属性

2）程序在磁盘里面，堆栈都是在内存中，程序运行起来都在内存中

3）进程的运行在内存(RAM)中，手机内存指的是运行内存64G，电脑内存指的是硬盘（ROM）

4）初始化的全局变量在数据段，没有初始化的全局变量放在BSS中

代码段存放可执行文件，机器码

5） static声明的变量不在栈中，和全局变量放在一起

栈：参数，返回值，局部变量

堆：malloc

6）一个进程会被分为不同的区域

7）进程控制块（pcb）

PID、进程用户、进程状态、优先级、文件描述符表

3、进程的类型

1）交互进程：最常用的进程，在前台运行且在shell下可以控制

2）批处理进程：提交到作业队列以便顺序执行

3）守护进程：一直在后台运行，不能用shell命令控制

4、进程的状态

（二）进程常用的命令

1、查看进程信息

1）ps当前状态下的进程

2）ps -e当前状态下Linux所有的进程

3)ps -elf Linux下进程的详细信息

4）进程状态

5）进程标志

6）ps下的目录含义

PID:进程ID

CMD：进程的名称

NI：进程优先级

PRI：进程优先级

SZ：占用内存

C：占用的CPU利用率

7）ps -elf|grep PID

查看某个进程

2、top实时查看进程信息

1）翻页shift+'<'(前翻页)或'>'（后翻页）

2）top -p PID查看某个进程

3）ctrl+c退出

3、/proc查看进程的某个目录

4、nice命令：打开一个进程，设置优先级

越nice优先级越低

 1）一般nice只能调高

2）只有root才能设置为负值

4）renice改变优先级

5、后台进程

6、前台和后台的区别

./test在前台运行：

正常情况下ctrl+C可以结束进程，下次该进程对应的代码还是前台运行

6、ctrl+Z结束前台运行转为后台

ctrl+Z：此时程序进入停止状态

7、jobs查看后台进程，这时进程已经在后台

8、bg将挂起的进程在后台运行

9、./test &也可使后台进程运行 

 10、fg将后台进程重新挂到前台运行

fg+序号进程又重新挂到前台

*（三）创建子进程

1、子进程的概念

在Linux下除了0号进程，其他的进程都是由别人创建的

2、创建子进程

让我们的进程创建子进程

1）代码

子进程B的代码和A的代码相同

但子进程B只执行程序中fork函数之后的代码

2）打印结果

父进程子进程分别打印

3）如何让父子进程分别执行

（四）父子进程

1、子进程只执行fork之后的代码

2、父子进程执行顺序是操作系统决定的

 3、父子进程的关系

（五）结束进程

1、若父进程先结束，被init进程收养，子进程变成后台进程

1）分别对父子进程加一个sleep

父子进程随机运行

子父进程ID

kill掉父进程

子进程的父进程变成了2107，也就是init进程

子进程变成后台进程

2、如果子进程先结束，父进程没有来得及回收，子进程变成僵尸进程

kill掉父进程

此时kill掉父进程，子进程消失

（五）子进程进阶

1、孙进程

子进程也进行了for循环 

解决办法：子进程执行结束break

（六）进程的退出

1、exit会刷新缓冲流-库函数-

2、_exit不会刷新缓冲流-系统调用-

3、main函数return会隐式调用exit

两个结果相同，其他函数return只是返回上一级

4、exit和return两个结果相同

4、_exit:没有刷新流缓冲区

（六）进程的回收

*1、wait-回收并查看子进程的情况

2、status和结束返回2的进程不同

3、16进制打印200不是2

4、用宏来取得进程的返回值

5、父进程对子进程的回收

1）不回收

2）回收

僵尸进程：子进程结束，但是没有被父进程回收

*(二）waitpid进程回收

1、waitpid

2、指定pid

3、WNOHANG不阻塞，直接执行，如果当前子进程还未结束，则会出错

出错：

修正：休眠2秒，等子进程结束

二、exec函数族

（一）exec函数族的执行过程

1、父进程的父进程是shell

2、函数族-有很多个函数组成

3、通过调用exec函数族执行某个程序

4、调用exec函数族进程当前内容被指定的程序替换

5、相当于父子进程执行不同程序

（二）execl函数和execlp函数

1、execl-需要写全部路径

相当于命令“ls -a -l”

2、execlp-不需要写全部路径

执行效果和execl相同

（三）execv函数和execvp函数

1、execv-全部路径-将命令定义成数组

2、execvp-不需要全部路径-数组

（四）system函数

1、system的实现

*（五）exec函数族特点

1、exec函数族-进程当前内容被指定内容替换，exec函数以后的程序没有被执行

2、第0个参数不使用但是要写

3、父子进程执行不同程序

三、GDB调试

（一）GDB调试多进程程序

1、想要用GDB调试，编译加-g

gcc -g -o 编译生成的名字 文件名

2、进入gdb模式命令

gdb 可执行文件

3、quit 退出

4、start开始调试

5、n进入下一步

6、默认跟踪父进程

1）set follow-

显示可以跟踪的进程

2）set follow-fork-mode

可以继续选择跟踪父子进程

3）跟踪孩子

set follow-fork-mode child

4)同时调试父子进程

调试子进程，同时可以切换父进程

5）切换调试的进程

info inferiors查看可以运行的进程

6）切换跟踪进程

inferior 序号

7、调试多进程

四、守护进程

（一）守护进程的概念

1、守护进程是后台进程，始终是后台运行

2、守护进程独立于终端

3、进程组-会话-控制终端

与控制终端连接的进程就是控制进程。

1）进程组

2）会话

一个终端界面可以理解成一个会话

3）控制终端-就是终端

4、守护进程

5、守护进程是孤儿进程

6、守护进程的创建

1）创建子进程，然后令子进程变成孤儿进程，被init收养，变成后台进程

此时子进程已经被init收养

2）创建会话-setsid

称为新的会话组长

自己当家做主人了 

3）改变工作目录-不被之前的父进程目录局限

4）重设掩码-创建文件权限（不是必须的）

5）关闭打开的文件描述符 

关闭文件描述符后，不会在打印到屏幕

守护进程不能在屏幕上打印东西，不能接收键盘的输入

6）nohup ./test.c &:将前台进程转为后台进程

没有写守护进程变成后台的方法

守护进程的实现

五、线程的创建和参数传递

（一）线程的基本特点

1、线程共享相同的地址空间和全局变量

2、线程是在windows下创建的，被Linux引用，Linux不分线程和进程

3、线程的特点

4、线程共享资源

常用：静态数据、文件描述符、工作目录

5、  线程的私有资源

常用：错误号、堆栈

（二）使用pthread库函数创建线程

1、pthread线程库

线程不是通过Linux内核实现，而是由线程库来实现。

2、创建线程

（三）常见编译错误及处理方法

链接错误线程编译要加上-lpthread

（四）线程的运行特点

1、线程创建需要时间，如果主进程退出，线程不能得到执行，马上退出

主进程退出，创建的线程也会退出 

2、sleep 1秒，线程创建成功

（五）线程id的获取

1、线程的退出

2、pthread_exit（）函数-常用于清理线程

3、打印tid

1)主函数中，直接获取

2）pthread_self()函数-函数中获得自己的id

3）打印pid

**（六）线程的参数传递

1、通过地址传递参数，注意类型转换

void定义下的arg是任意类型，直接转换成Int类型

2、也可以值传递-可能会报警，需要程序员自己保证数据长度正确

3、建立多个线程并分别向其传参

（七）段错误的原因及处理方法

六、线程的回收及内存演示

（一）pthread_join与pthread_exit

相当于进程中的wait函数

1、pthread_join主函数对线程的回收-阻塞函数，线程没有回收则等待

pthread_join在主函数中，接收线程结束的返回值

2、pthread_exit 线程结束函数

（二）pthread_join函数特点

1、一个缺点，如果是单线程回收方便，循环创建多线程，如果最开始的线程没有结束，pthread_join也会阻塞

（三）线程分离pthread_detach

1、线程主动与主控线程断开关系，自己可以回收，不需要pthread_join

2、pthread_detach使用

在主函数中：

不阻塞

在线程函数中：

3、线程属性分离

4、回收线程的三种方式

1）pthread_join(局限)：阻塞，多线程阻塞

2）pthread_detach

3）创建线程时分离属性

（四）线程回收内存演示

查看内存命令： top -p 进程号

线程回收前

等待线程回收后

七、线程的取消和清理

（一）pthread_cancel与线程取消点

1、查看线程-L大写

ps -eLf |grep detach

2、杀掉线程

1）必须有取消点-阻塞

2）gdb命令：bt-打印调用栈

（二）GDB调试段错误

（三）pthread_testcancel手动设置取消点

1、线程取消需要取消点-阻塞

2、如果不确定有没有取消点，可以手动设置一个取消点

（四）pthread_setcancelstate设置取消属性

1、取消取消点

2、恢复其他地方取消点

3、主函数中的sleep

（五）线程取消pthreas_setcanceltype

（六）线程清理-线程申请了空间但因阻塞取消

1、如果线程申请了一块内存，但线程因为阻塞被取消，则会造成内存泄露

2、线程清理是在线程异常退出之后，进行清理

3、线程的清理函数本质上是宏定义，必须成对使用

push-pop

4、routine函数

return可以结束线程，但是不能出发清理函数

5、可以cancel自己

两种情况：

1）到取消点取消，取消点之前可以取消

2）立即取消

八、**互斥锁/读写锁/死锁

（一）互斥锁的概念和使用

1、临界资源

1）临界资源是只允许一个资源访问的任务，互斥资源

2）外设、磁盘都是临界资源

3）临界区是访问临界资源的代码

（二）互斥机制

1、动态初始化创建

2、静态方式创建

3、锁的销毁

4、互斥锁的使用

5、申请锁

1）两个函数的区别

6、释放锁

*（三）互斥锁

1、创建两个线程，打印字符到文件中

主函数：

1.txt:两个线程随机打印，乱序

2、使用静态方式定义互斥锁

1）初始化互斥锁

2）添加互斥锁

3）添加了互斥锁之后的1.txt

4）如果线程执行多个任务，例如多个文件的写操作，需要定义多个互斥锁

（四）读写锁概念和使用

1、读写锁-提高线程的读写速度-可同时读

2、防止读的时候有线程写入

3、同一时刻只有一个线程可以获得写锁，同一时刻可以有多个线程获得读锁

4、代码

1）在主函数中定义读写锁

2）结构体变量声明

3）加锁

4）结果与互斥锁相同

结论：读写锁与互斥锁结果相近

5、读写锁-只读

读写锁比互斥锁好的地方是，读写锁允许多个用户一起读。

（五）死锁的避免

1、死锁的概念

2、代码-死锁是对同一资源也就是同一把互斥锁

1）设置两把锁，两个线程同时调用两个资源

3、解决办法

延长休眠时间

1）所有资源使用一把锁，锁越少越好

2）获得1，2的先后顺序相同

九、条件变量的使用及注意事项

（一）条件变量基本使用

1、线程等待某个资源时，休眠，提高运行效率

2、条件变量函数

1）等待资源

2）信号

3、步骤

1）初始化条件变量

2）定义互斥量

3）生产者

4）消费者

4、代码

1）主函数

2）生产者

3）消费者

4）准备条件

5）结果

5、条件变量一定要和互斥锁使用

（二）条件变量使用注意事项

十、线程池及gdb调试多线程

（一）线程池的概念

1、线程池的作用

一般线程创建使用完都会被回收

线程的创建和销毁>线程的执行，时间不划算

2、线程池的结构

1）任务队列

2）线程池工作线程

（二）线程池的实现

（三）线程的GDB调试

1、主函数

2、设置断点 b

3、run运行程序

4、info thread查看线程

5、切换线程

 切换到第3个，设置第六行为断点

6、下一步 next

7、执行完一个线程后再次查看，线程消失

8、设置线程锁

设置之后，除了选定的线程，其他不执行

十一、有名管道和无名管道

（一）无名管道基础

**（面试题）1、进程间通信的方式

1）无名管道-亲缘进程

2）有名管道

*3）信号

4）共享内存

5）套接字-网络-进程间通信

进程-进程/主机-主机

开销最大

6）System V IPC-古老

（二）无名管道的特点

1、概念

相当于共享内存，通过管道传递消息

2、特点

1）只能父子或兄弟进程间通信

2）单工通讯-固定读端和写端

3）创建两个文件描述符

3、无名管道的创建

单工通信-每个进程fd[0]和fd[1]只能用一个

（三）无名管道的创建

1、父子进程间的通信

只有读操作之后才能打印buf。

（四）无名管道进阶

1、父进程创建无名管道

2、子进程读写描述符与父进程相同

3、关闭管道

父子进程都可以关闭读写管道，无论这一段是读还是写

4、同一个进程，自己和自己无法读写

子进程之间相互通信：

5、管道可以用于大于两个进程的共享

6、可以两个子进程读/写，父进程写/读

7、无名管道的读写特性

8、无名管道大小是64K

（五）有名管道的特点

1、有名管道的特点

有名管道通过路径名操作，在文件系统中可见，但内容存放在内存中，非亲缘进程间通信，单工通信，先进先出。

（六）有名管道的创建

1、创建有名管道

路径不能是Linux和wins共享目录

2、直接创建在根目录下

（七）有名管道的读写

1、写进程代码

2、读进程代码

3、读写结果

（八）有名管道的注意事项

1、不能使用读写方式打开文件

2、文件可以创建在根目录下，但是不能创建在共享目录下

3、默认情况下只写O_RDWR和只读O_RDONLY参数是阻塞的，加了第二个参数，不会阻塞，没有内容可读，直接退出。

1）阻塞

2）非阻塞

读文件时没有内容直接结束，有内容读内容

写文件打开失败情况：

注意事项

1、BSS存放没有初始化的全局变量。

2、static声明的变量不在栈中，和全局变量放在一起。

3、栈：参数，返回值，局部变量

堆：malloc

4、ps -elf 查看Linux下进程的详细信息

ps -elf|grep PID查看某个进程

top动态查看Linux下进程的实时信息

top -p PID查看某个进程

/proc查看进程的某个目录

5、子进程和父进程执行的代码相同，但子进程只执行程序中fork函数之后的代码（也就是子进程创建后的代码）。

6、fork函数创建子进程成功后，父进程返回子进程的进程号（进程号大于0），子进程返回0。

7、若父进程先结束，子进程变成孤儿进程，被init进程收养变成孤儿进程；若子进程先结束，父进程没有及时回收，子进程变为僵尸进程。

8、子进程通过exit/_exit/return返回，父进程通过wait(&status)回收子进程，wait有返回值。

9、exec函数使得进程当前内容被指定内容替换，exec函数以后的程序没有被执行自己，子进程调用exec函数族，父进程不受影响。

10、gdb调试命令：gcc -g -o 编译生成的名字 文件名

11、关闭文件描述符1，2，3，守护进程不能在屏幕上打印东西，不能接收键盘的输入。

12、内核（kernel）利用文件描述符（file descriptor）来访问文件。文件描述符是非负整数，打开现存文件或新建文件时，内核会返回一个文件描述符。读写文件也需要使用文件描述符来指定待读写的文件。文件描述符0, 1, 2 默认为 stdin stdout stderr。

13、pthread_join在主函数中，接收线程结束的返回值。pthread_exit 线程结束函数，在线程内，返回值可以是一句提示语句。
14、如果线程申请了一块内存，但线程因为阻塞被取消，则会造成内存泄露

15、线程的清理函数本质上是宏定义，必须成对使用push-pop。

16、外设、磁盘都是临界资源，临界区是访问临界资源的代码。

17、读写锁与互斥锁结果相近，读写锁比互斥锁好的地方是，读写锁可以允许多个用户一起读。

18、条件变量一定要和互斥锁使用

19、无名管道只能父子或兄弟进程间通信，无名管道是单工通讯，有固定读端和写端，需要创建两个文件描述符，pfd[0]用于读管道，pfd[1]用于写管道。

20、有名管道不能使用读写方式打开文件，管道文件可以创建在根目录下，但是不能创建在共享目录下。

21、调用open函数时，可以指定打开的文件描述符是以阻塞方式还是以非阻塞方式。
阻塞概念：read函数在读设备或者管道，或者socket的时候，默认是阻塞的，也就是说，对方如果没有发送数据过来，则read函数就会一直等待数据过来，从代码的角度来说，就是read函数后面的代码不会被执行。
非阻塞概念：read函数在读设备或者管道，或者socket的时候，对方如果没有发送数据过来，read函数也会立即返回，从代码的角度来说，就是read函数后面的代码会马上被执行。