Linux 多进程详解

Linux 多进程详解 ️

Linux 是一个典型的多任务操作系统，支持通过 多进程（Multiprocessing） 实现并发执行。每个进程拥有独立的地址空间和系统资源，通过进程间通信（IPC）进行协作。以下是 Linux 多进程的核心概念、使用方法和应用场景的详细解析。

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一、进程的基本概念 ⚙️

1. 什么是进程？

• 进程（Process） 是程序的执行实例，包含代码、数据、内存空间、文件描述符、环境变量等资源。

• 每个进程在 Linux 内核中由 task_struct 结构体管理，并具有唯一的进程标识符（PID）。

• 父子关系：通过 fork() 创建的进程形成父子关系，父进程监控子进程状态。

2. 进程与线程的区别

特性	进程	线程
资源隔离	独立内存空间，资源隔离	共享同一进程的内存和资源
创建开销	高（需复制父进程资源）	低（共享进程资源）
通信方式	管道、共享内存、信号等 IPC	全局变量、互斥锁等
容错性	一个进程崩溃不影响其他进程	一个线程崩溃可能导致整个进程终止

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二、进程的生命周期 ⏳

1. 进程的创建 ️

• fork() 系统调用：复制当前进程，生成子进程。

  • 返回值：父进程返回子进程 PID，子进程返回 0。

  • 写时复制（Copy-On-Write）：Linux 优化机制，父子进程共享内存，直到修改时才复制。

  #include 
  pid_t pid = fork();
  if (pid == 0) {
      // 子进程代码
  } else if (pid > 0) {
      // 父进程代码
  } else {
      // fork 失败
  }
  

• exec() 系列函数：替换当前进程的代码段，加载新程序。

  execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL); // 执行 ls -l
  

2. 进程的终止

• 正常终止：通过 exit() 或 return 结束进程。

• 异常终止：收到信号（如 SIGKILL、SIGSEGV）或被其他进程终止。

• 僵尸进程（Zombie）：子进程终止后，父进程未调用 wait() 回收资源，导致残留进程信息。

• 孤儿进程（Orphan）：父进程先终止，子进程被 init 进程（PID=1）接管。

3. 进程的等待

• wait() / waitpid()：父进程阻塞等待子进程终止，并回收资源。

  int status;
  pid_t child_pid = wait(&status); // 等待任意子进程
  pid_t child_pid = waitpid(pid, &status, WNOHANG); // 等待指定子进程，非阻塞模式
  

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三、进程间通信（IPC）

1. 管道（Pipe）

• 匿名管道：单向通信，用于父子进程。

  int pipe_fd[2];
  pipe(pipe_fd); // pipe_fd[0]读端，pipe_fd[1]写端
  

• 命名管道（FIFO）：通过文件系统路径标识，支持无关进程通信。

  mkfifo /tmp/myfifo
  

2. 共享内存（Shared Memory）

• 多个进程映射同一块物理内存，高效但需同步机制（如信号量）。

  int shm_id = shmget(IPC_PRIVATE, size, IPC_CREAT | 0666);
  char *shm_ptr = shmat(shm_id, NULL, 0);
  

3. 消息队列（Message Queue）

• 内核维护的链表结构，支持有类型消息传递。

  int msgq_id = msgget(IPC_PRIVATE, IPC_CREAT | 0666);
  msgsnd(msgq_id, &msg, sizeof(msg), 0);
  msgrcv(msgq_id, &msg, sizeof(msg), msg_type, 0);
  

4. 信号量（Semaphore）

• 用于进程间同步，控制对共享资源的访问。

  sem_t sem;
  sem_init(&sem, 1, 1); // 初始值1（二进制信号量）
  sem_wait(&sem);   // P操作
  sem_post(&sem);   // V操作
  

5. 套接字（Socket）

• 支持跨网络通信，也可用于本地进程间通信（AF_UNIX）。

  int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  

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四、进程管理 ️

1. 进程组与会话 ‍‍

• 进程组（Process Group）：一组相关进程的集合，共享同一 PGID。

• 会话（Session）：一个或多个进程组的集合，通常由 Shell 创建。

2. 守护进程（Daemon） ‍♂️

• 后台运行的独立进程，脱离终端控制。

• 创建步骤：

  1. 调用 fork() 创建子进程，父进程退出。

  2. 调用 setsid() 创建新会话。

  3. 关闭文件描述符，重定向标准 I/O。

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五、多进程的典型应用场景

1. 并行计算：利用多核 CPU 加速任务（如数据处理、科学计算）。

2. 服务端程序：Web 服务器（如 Apache）通过多进程处理并发请求。

3. 任务隔离：将不稳定模块（如第三方插件）运行在独立进程，避免主程序崩溃。

4. 批处理系统：同时执行多个独立任务（如编译、文件转换）。

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六、多进程编程示例

父子进程通过管道通信

#include 
#include 
#include 

int main() {
    int pipe_fd[2];
    char buf[20];
    pipe(pipe_fd);

    if (fork() == 0) {  // 子进程
        close(pipe_fd[0]); // 关闭读端
        write(pipe_fd[1], "Hello Parent!", 13);
        close(pipe_fd[1]);
    } else {            // 父进程
        close(pipe_fd[1]); // 关闭写端
        read(pipe_fd[0], buf, sizeof(buf));
        printf("Received: %s\n", buf);
        close(pipe_fd[0]);
        wait(NULL);
    }
    return 0;
}

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七、总结

特性	多进程优势	多进程劣势
资源隔离	安全性高，一个进程崩溃不影响其他进程	内存占用高
通信复杂度	需显式 IPC 机制	编程复杂度高于多线程
扩展性	适合分布式系统或需要强隔离的场景	进程间切换开销大

选择建议：

• 需要强隔离性、稳定性时选择多进程。

• 需要轻量级并发、数据共享频繁时选择多线程。

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掌握 Linux 多进程技术是系统级开发的必备技能，合理使用可显著提升程序性能和可靠性。