unix多进程多线程

概要

线程和进程是两种不同的并发执行单元，它们都可以实现多任务的执行，但是有各自的特点和区别。

• 线程是操作系统独立调度和执行的基本单位，它是进程的一个组成部分，一个进程可以包含多个线程，它们共享进程的地址空间、数据和资源。线程有自己的栈、寄存器和程序计数器，它们之间可以直接通信和协作。
• 进程是程序在某个数据集合上的一次运行活动，也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。进程有自己独立的地址空间、数据和资源，进程之间通过通信机制（如管道、信号、消息队列等）来交换信息。

要调用线程和进程，需要使用不同的方法，具体取决于操作系统和编程语言。一般来说，有以下几种常见的方法：

• 在 Linux 系统中，可以使用 fork() 函数来创建一个新的进程，该函数会复制当前进程的地址空间、数据和资源，并返回一个进程标识符（PID）。父进程和子进程可以通过 PID 来区分自己，并继续执行不同的代码。可以使用 wait() 函数来等待子进程结束，并获取其返回值。可以使用 exec() 系列函数来在子进程中执行另一个程序，并替换其地址空间、数据和资源。
• 在 Linux 系统中，可以使用 pthread 库来创建和管理线程。pthread 库提供了一系列函数来创建、终止、同步、互斥和调度线程。可以使用 pthread_create() 函数来创建一个新的线程，并指定其要执行的函数和参数。可以使用 pthread_join() 函数来等待一个线程结束，并获取其返回值。可以使用 pthread_exit() 函数来终止当前线程，并返回一个值。
• 在 Windows 系统中，可以使用 CreateProcess() 函数来创建一个新的进程，并指定其要执行的程序、命令行参数、安全属性、优先级等。该函数会返回一个进程句柄（HANDLE），用于标识和控制该进程。可以使用 WaitForSingleObject() 函数来等待一个进程结束，并获取其退出码。可以使用 TerminateProcess() 函数来强制终止一个进程，并指定其退出码。
• 在 Windows 系统中，可以使用 CreateThread() 函数来创建一个新的线程，并指定其要执行的函数和参数。该函数会返回一个线程句柄（HANDLE），用于标识和控制该线程。可以使用 WaitForSingleObject() 函数来等待一个线程结束，并获取其退出码。可以使用 ExitThread() 函数来终止当前线程，并返回一个值。
• 在 C 语言中，可以使用 system() 函数来调用操作系统命令，并创建一个新的进程来执行该命令。该函数会阻塞当前进程，直到命令执行完毕，并返回命令的退出码。
• 在 C++ 语言中，可以使用 std::thread 类来创建和管理线程。std::thread 类提供了构造函数、析构函数、移动赋值运算符等方法来创建、销毁、转移线程对象。可以向构造函数传递一个可调用对象（如函数指针、函数对象、lambda 表达式等）和参数，来指定线程要执行的任务。可以使用 join() 方法来等待一个线程结束，并获取其返回值。可以使用 detach() 方法来分离一个线程，使其在后台运行。

进程和线程的概念

• 进程是程序在某个数据集合上的一次运行活动，也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。
• 线程是进程中的一个执行单元，是操作系统进行调度的基本单位。
  进程有自己的独立地址空间，每启动一个进程，系统就会为它分配地址空间，建立数据表来维护代码段、堆栈段和数据段，这种操作非常昂贵。
• 而线程是共享进程中的数据的，使用相同的地址空间，因此 CPU 切换一个线程的花费远比进程要小很多，同时创建一个线程的开销也比进程要小很多。

进程和线程的状态转换

• 进程有三种基本状态：就绪态、运行态和阻塞态。就绪态表示进程已经准备好运行，等待 CPU 分配时间片；运行态表示进程正在占用 CPU 执行；阻塞态表示进程因为等待某些事件而暂停执行，让出 CPU 资源。
• 线程也有类似的状态转换，但是线程的阻塞不会导致整个进程的阻塞，同样线程的就绪也不一定会立即运行。
• 进程和线程的状态转换都需要操作系统的干预，操作系统通过进程控制块（PCB）来管理和调度进程，通过原语来实现进程状态转换的功能。

进程和线程的通信方式

• 进程间通信（IPC）需要借助操作系统提供的服务，常见的方式有管道、消息队列、信号量、共享内存、套接字等。
• 线程间通信（TIC）由于共享同一进程的资源，可以直接读写数据，无需操作系统干预。但是为了避免数据不一致或冲突，需要使用互斥锁、信号量等同步机制来保证线程安全。

C++中的线程进程调用

C++11标准提供了头文件来支持多线程编程，可以使用std::thread类来创建和管理线程。

下面是一些C++中的线程或进程调用示例：

• 创建一个简单的线程，执行一个无参数的函数：

#include 
#include 

void thread_fun() // 线程要执行的函数
{
    std::cout << "Hello, thread!" << std::endl;
}

int main()
{
    std::thread t(thread_fun); // 创建一个线程对象t，并传入要执行的函数
    t.join(); // 等待线程t结束
    return 0;
}

• 创建一个带参数的线程，执行一个有参数的函数：

#include 
#include 

void thread_fun(int x) // 线程要执行的函数，有一个整型参数
{
    std::cout << "The parameter is " << x << std::endl;
}

int main()
{
    std::thread t(thread_fun, 42); // 创建一个线程对象t，并传入要执行的函数和参数
    t.join(); // 等待线程t结束
    return 0;
}

• 创建多个线程，共享同一个函数，并使用互斥锁来保护共享数据：

#include 
#include 
#include 

std::mutex mtx; // 创建一个互斥锁对象
int counter = 0; // 创建一个共享数据

void thread_fun() // 线程要执行的函数
{
    mtx.lock(); // 上锁，保护共享数据
    counter++; // 修改共享数据
    std::cout << "Thread " << counter << " is running" << std::endl;
    mtx.unlock(); // 解锁，释放共享数据
}

int main()
{
    const int N = 10; // 定义线程数量
    std::thread threads[N]; // 创建一个线程数组

    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        threads[i] = std::thread(thread_fun); // 为每个线程对象分配要执行的函数
    }

    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        threads[i].join(); // 等待每个线程结束
    }

    return 0;
}

• 在Linux系统中，创建一个新的进程，并在子进程中执行另一个程序：

#include 
#include 
#include 

int main()
{
    pid_t pid = fork(); // 创建一个新的进程，返回进程标识符

    if (pid == -1) // fork失败
    {
        std::cerr << "Fork error" << std::endl;
        return -1;
    }
    else if (pid == 0) // 子进程
    {
        std::cout << "Child process, pid = " << getpid() << std::endl;
        execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL); // 在子进程中执行ls命令，替换子进程的地址空间、数据和资源
        std::cerr << "Exec error" << std::endl; // 如果exec成功，这一行不会被执行
        return -1;
    }
    else // 父进程
    {
        std::cout << "Parent process, pid = " << getpid() << std::endl;
        int status;
        wait(&status); // 等待子进程结束，并获取其返回值
        std::cout << "Child process exited with status = " << status << std::endl;
        return 0;
    }
}