网络编程：多进程和多线程编程

1. 多进程编程

1.1 fork

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
// 调用失败返回 -1 设置 errno
pid_t fork( void );

子进程返回 0，父进程返回子进程 PID；

信号位图被清除（父进程的信号处理函数不再对新进程起作用）

1.2 exec 系列系统调用

替换当前进程映像，一般情况下不会返回，出错后返回 -1 并设置 errno；

注意：exec 函数不会关闭原程序打开的文件描述符，除非该 fd 设置了 SOCK_CLOEXEC 属性；

1.3 处理僵尸进程

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
// 调用失败返回 -1 设置 errno
pid_t wait( int* stat_loc );
pid_t waitpid( pid_t pid, int* stat_loc. int options );

waitpid 只等待 pid 指定的子进程；pid 取值为 -1，和 wait 相同，等待任意一个子进程结束；
options 取值是 WNOHANG 时，waitpid 是非阻塞的：pid 指定的子进程没有结束或意外终止，立即返回 0；子进程正常退出，返回子进程 PID；

1.4 信号量

1.4.1 semget

创建一个新的信号量集，或者获取一个已经存在的信号量集；

#include <sys/sem.h>
// 成功返回一个正整数，标识信号量集
// 失败返回 -1 设置 errno
int semget( key_t key, int num_sems. int sem_flags );

key 用来标识一个全局唯一的信号量集；传递特殊键值 IPC_PRIVATE（值为 0）可以保证总是创建新的信号量集；
num_sems 指定信号量集中信号量的数目；（若是创建，必须指定；若是获取，设为 0）
sem_flags 指定该信号量的权限， 后 9 位与open中的 mode 一致；

#include <sys/sem.h>
struct ipc_perm
{key_t key;		/* 键值 */uid_t uid;		/* 所有者的有效用户 ID */gid_t gid;		/* 所有者的有效组 ID */uid_t cuid;		/* 创建者的有效用户 ID */gid_t cgid;		/* 创建者的有效组 ID */mode_t mode;	/* 访问权限 *//* 省略其他填充字段 */
};struct semid_ds
{struct ipc_perm sem_perm;		/* 信号量的操作权限 */unsigned long int sem_nsems;	/* 信号量集的信号量数目 */time_t sem_otime;				/* 最后一次调用 semop 的时间 */time_t sem_ctime;				/* 最后一次调用 semctl 的时间 *//* 键值 */
};

semid_ds 是与信号量集相关联的内核数据结构，semget作用是创建并初始化它，会将 sem_otime 设为 0，sem_ctime 设为当前系统时间；

1.4.2 semop

改变信号量的值，是原子操作；

unsigned short semval;			/* 信号量的值 */
unsigned short semzcnt;			/* 等待信号值变为 0 的进程数量 */
unsigned short semncnt;			/* 等待信号值增加的进程数量 */
pid_t sempid;					/* 最后一次执行 semop 操作的进程 ID */
int semop( int sem_id, struct sembuf* sem_ops, size_t num_sem_ops );

sem_id 是 semget返回的信号量集标识符；sem_ops 指向 sembuf 数组；

struct sembuf
{unsigned short int sem_num;short int sem_op;short int sem_flg;
}

sem_num 为信号集中信号量的编号；

在这里插入图片描述
SEM_UNDO 的含义是，当进程退出时取消正在进行的 semop 操作，会更新进程的 semadj 变量,，来跟踪进程对信号量的修改情况；

1.4.3 semctl

对信号量直接控制

int semctl( int sem_id, int sem_num, int command, ... );

command 为要执行的命令，有些命令需要第 4 个参数，推荐如下形式

union semun
{int val;					/*用于 SETVAL 命令*/struct semid_ds* buf;		/*用于 IPC_STAT 和 IPC_SET 命令*/unsigned short* array;		/*用于 GETALL 和 SETALL 命令*/struct seminfo* __buf;		/*用于 IPC_INFO 命令*/
};

常用命令为

命令含义成功时返回值
IPC_RMID移除信号量集，唤醒所有等待该信号量集的进程（semop返回错误，errno 为 EIDRM）0
SETVAL将信号量的值设为 semun.val ，同时内核数据中的 semid_ds.sem_ctime 被更新0

1.5 共享内存

最高效的 IPC 机制；

1.5.1 shmget

创建一段新的共享内存或获取一段已经存在的共享内存；

#include <sys/shm.h>
// 成功返回正整数，为共享内存的标识；失败返回 -1 设置 errno
int shmget( key_t key, size_t size, int shmflg );

这三个参数与 semget含义相同，size 指定共享内存的大小，单位是字节；
shmflg 支持额外的两个标志：

  • SHM_HUGETLB；系统使用“大页面”分配共享内存，类似于 mmap的 MAP_HUGETLB 标志；
  • SHM_NORESERVE；不为共享内存保留交换分区，类似于 mmap的 MAP_NORESERVE 标志；这样当物理内存不足时，对该共享内存执行写操作将触发 SIGSEGV 信号；

shmget创建共享内存，所有字节都被初始化为 0，与之关联的内核数据结构为 shmid_ds 被创建和初始化；

struct shmid_ds
{struct ipc_perm shm_perm;	/* 共享内存的操作权限 */size_t shm_segsz;			/* 共享内存的大小，单位是字节 */__time_t shm_atime;			/* 对这段内存最后一次调用 shmat 的时间 */__time_t shm_dtime;			/* 对这段内存最后一次调用 shmdt 的时间 */__time_t shm_ctime;			/* 对这段内存最后一次调用 shmctl 的时间 */__pid_t shm_cpid;			/* 创建者的 PID */__pid_t shm_lpid;			/* 最后一次执行 shmat 或 shmdt 操作的进程 PID */shmatt_t shm_nattach;		/* 关联到此共享内存的进程数量 *//* 省略填充字段 */
};

初始化时，shm_lpid、shm_nattach、shm_atime、shm_dtime 设置为 0，shm_ctime 设置为当前时间；

1.5.2 shmat 和 shmdt

关联/分离到进程的地址空间

void* shmat( int shm_id, const void* shm_addr, int shmflg );
int shmdt( const void* shm_addr );

shm_addr 指定将共享内存关联到进程的哪块空间地址；

  • shm_addr 为 NULL，由操作系统选择，推荐的做法；
  • shm_addr 非空，并且 SHM_RND 未设置，共享内存关联到 addr 指定地址处；
  • shm_addr 非空，并且设置了 SHM_RND ，被关联的地址是 [shm_addr - (shm_addr%SHMLBA)]；

shmflg 还支持如下标志：

  • SHM_RDONLY；进程仅能读取共享内存中的内容；
  • SHM_REMAP；如果地址 shm_addr 已经被关联到一段共享内存上，重新关联；
  • SHM_EXEC；指定对共享内存段的执行权限；

shmat 成功返回被关联的地址，失败返回(void *) -1 并设置 errno；将 shm_nattach++，shm_lpid 设置为调用进程 PID，shm_atime 设置为当前时间；

shmdt 成功时返回 0，失败返回 -1 设置 errno；将 shm_nattach–，shm_lpid 设置为调用进程 PID，shm_dtime 设置为当前时间；

1.5.3 shmctl
// 失败时返回 -1 设置 errno
int shmctl( int shm_id, int command, struct shmid_ds* buf );
命令含义成功时返回值
SETVAL将信号量的值设为 semun.val ，同时内核数据中的 semid_ds.sem_ctime 被更新0
1.5.4 共享内存的 POSIX 方法

通过打开同一个文件， mmap 可以实现进程间的内存共享；
Linux 提高了另一种利用 mmap 在无关进程间共享内存的方式，无需任何文件的支持；

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
// 创建或打开一个 POSIX 共享内存对象
int shm_open( const char* name, int oflag, mode_t mode );
int shm_unlink( const char* name );

shm_open 成功返回一个文件描述符，该 fd 可用于后续的 mmap 调用，失败返回 -1 设置 errno。
shm_unlink 将 name 指定共享内存对象标记为等待删除；当所有使用该共享对象的进程都使用 ummap将它从进程中分离后，系统将销毁该对象；

ftruncate(fd, length)会将参数 fd 指定的文件大小改为参数 length 指定的大小。

1.6 消息队列

两个进程间传递二进制块数据一种简单有效的方式；
每个数据块都有一个特定的类型，接收方可以根据类型来选择地接收数据；

1.6.1 msgget

创建或获取消息队列

#include <sys/msg.h>
int msgget( key_t key, int msgflg );

参数含义与 semget一致，与之关联的内核数据结构 msqid_ds 被创建并初始化；

struct msqid_ds
{struct ipc_perm msg_perm;		/* 操作权限 */time_t msg_stime;				/* 最后一次调用 msgsnd 的时间 */time_t msg_stime;				/* 最后一次调用 msgrcv 的时间 */time_t msg_stime;				/* 最后一次被修改的时间 */unsigned long __msg_cbytes;		/* 消息队列中已有的字节数 */msgqnum_t msg_qnum;				/* 消息队列中已有的消息数 */msglen_t msg_qbytes;			/* 消息队列允许的最大字节数 */pid_t msg_lspid;				/* 最后执行 msgsnd 的进程 PID */pid_t msg_lrpid;				/* 最后执行 msgrcv 的进程 PID */
};
1.6.2 msgsnd

把一条消息添加到消息队列中；

// 成功返回 0，失败返回 -1
int msgsnd( int msqid, const void* msg_ptr, size_t msg_sz, int msgflg );

msg_ptr 指向一个准备发送的消息

struct msgbuf
{long mtype;			/* 消息类型，必须为正整数 */char mtext[512];	/* 消息数据 */
};

msg_sz 是消息数据部分的长度，可以为 0 表示没有消息数据；
msgflg 设置 IPC_NOWAIT 标志时，表示非阻塞；如果消息队列满，默认情况下会阻塞，如果设置了 IPC_NOWAIT 将立即返回并设置 errno 为 EAGAIN；

处于阻塞状态的 msgsnd 可能被中断：

  • 消息队列被移除，会立即返回，errno 为 EIDRM；
  • 程序接收到信号，立即返回，errno 为 EINTR；
1.6.3 msgrcv

从消息队列中获取消息

// 成功返回 0，失败返回 -1
int msgrcv( int msqid, void* msg_ptr, size_t msg_sz, long int msgtype, int msgflg );

（1）msg_ptr 用于存储接收到的消息；
（2）msgtype 指定接收何种类型的消息；

  • 为 0，表示读取消息队列中的第一个消息；
  • 大于 0，读取第一个类型为 msgtype 的消息；
  • 小于0，读取第一个类型值比 msgtype 绝对值小的消息；

（3）msgflg

  • IPC_NOWAIT；如果消息队列为空，立即返回，errno 设为 ENOMSG；
  • MSG_EXCEPT；msgtype 大于 0，接收第一个非 msgtype 的消息；
  • MSG_NOERROR；如果消息数据部分长度超过了 msg_sz，将其截断；

（4）阻塞的 msgrcv 被中断情况与 msgsnd 一致；

1.6.4 msgctl
// 失败返回 -1
int msgctl( int msqid, int command, struct msqid_ds* buf );

1.7 IPC 命令

上述 3 种进程间通信方式都使用了全局唯一的键值来描述一个共享资源；
Linux 下 ipcs 命令可以查看当前系统上的共享资源实例；

1.8 进程间传递文件描述符

可以利用 UNIX 域 socket 在进程间传递特殊辅助数据

利用 sendmsg 和 recvmsg 可以发送附属数据

2. 多线程编程

内核线程：运行在内核空间，由内核调度；
用户线程：运行在用户空间，由线程库调度；

当进程的一个内核线程获得 CPU 使用权时，加载并允许一个用户线程，内核线程相当于用户线程运行的“容器”；

一个进程可以拥有 M 个内核线程和 N 个用户线程，M <= N，它们之间的比值是固定的；

（1）完全在用户空间实现；

M:N = 1:N

线程库利用 longjmp 来切换线程；一个进程的所有执行线程共享该进程的时间片，对外表现出相同的优先级；

优点：创建和调度线程的速度非常快，不需要内核参与，不占用额外的内核资源；

缺点：一个进程的多个线程无法运行在不同的 CPU 上；

（2）完全由内核调度；

M:N = 1:1，与上述优缺点互换

（3）双层调度；结合了前两种方式的优点；

2.1 线程库

Linux 下目前基本使用的都是 NPTL，采用 1:1 方式实现的；

2.2 创建和结束线程

（1）

#include <pthread.h>
// 成功返回 0，失败返回错误码
int pthread_create( pthread_t* thread, const pthread_attr_t* attr,void* (*start_routine)( void* ), void* arg );

thread 的类型 pthread_t 是无符号长整形，为新线程的标识符；
attr 设置新线程的属性，设为 NULL 代表使用默认线程属性；

一个用户可打开的线程数量不能超过 RLIMIT_NPROC 限制；

（2）在结束时最好调用如下函数；

void pthread_exit( void* retval );

retval 向线程的回收者传递其退出信息；

（3）等待其他线程结束（回收）

int pthread_join( pthread_t thread, void** retval );

会一直阻塞直到被回收的线程结束；
成功返回 0，失败返回错误码；

错误码描述
EDEADLK可能引起死锁；比如两个线程互相针对对方调用 pthread_join 或 线程对自身调用 pthread_join
EINVAL目标线程不可回收，或已经有其他线程在回收该目标线程
ESRCH目标线程不存在

（4）异常终止一个线程；

int pthread_cancel( pthread_t thread );

接收到这个请求的目标线程可以决定是否允许被取消以及如何取消；

int pthread_setcancelstate( int state, int* oldstate );
int pthread_setcanceltype( int type, int* oldtype );

第一个参数分别用于设置线程的取消状态（是否允许取消）和取消类型（如何取消）
第二个参数记录了原来的状态和类型；

state 可选值为：

  • PTHREAD_CANCEL_ENABLE，允许线程被取消，线程创建时的默认状态
  • PTHREAD_CANCEL_DISABLE，禁止线程被取消；如果收到取消请求，会将请求挂起，直到该线程允许被取消

type 可选值为：

  • PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS，线程随时都可以被取消，接收到取消请求立即采取行动；
  • PTHREAD_CANCEL_DEFERRED，允许目标线程推迟行动，直到调用了下面几个取消点函数中的一个：pthread_join、pthread_testcancel、pthread_cond_wait、pthread_cond_timedwait、sem_wait 和 sigwait；

2.3 线程属性

各种线程属性全部包含在一个字符数组中；

#include <bits/pthreadtypes.h>
#define __SIZEOF_PTHREAD_ATTR_T 36
typedef union
{char __size[__SIZEOF_PTHREAD_ATTR_T];long int __align;
} pthread_attr_t;

// 初始化线程属性对象
int pthread_attr_init( pthread_attr_t* attr );
// 销毁线程属性对象，被销毁的对象只有再次初始化之后才能继续使用
int pthread_attr_destroy( pthread_attr_t* attr );
// 获取或设置线程属性对象的某个属性
int pthread_attr_getdetachstate( const pthread_attr_t* attr, int* detachstate );
int pthread_attr_setdetachstate( pthread_attr_t* attr, int detachstate );
int pthread_attr_getstackaddr( const pthread_attr_t* attr, void** stackaddr );
int pthread_attr_setstackaddr( pthread_attr_t* attr, void* stackaddr );
int pthread_attr_getstacksize( const pthread_attr_t* attr, size_t* stacksize );
int pthread_attr_setstacksize( pthread_attr_t* attr, size_t stacksize );
int pthread_attr_getstack( const pthread_attr_t* attr, void** stackaddr, size_t* stacksize );
int pthread_attr_setstack( pthread_attr_t* attr, void* stackaddr, size_t stacksize );
int pthread_attr_getguardsize( const pthread_attr_t* attr, size_t* guardsize);
int pthread_attr_setguardsize( pthread_attr_t* attr, size_t guardsize);
int pthread_attr_getschedparam( const pthread_attr_t* attr, struct sched_param* param );
int pthread_attr_setschedparam( pthread_attr_t* attr, const struct sched_param* param );
int pthread_attr_getschedpolicy( const pthread_attr_t* attr, int* policy );
int pthread_attr_setschedpolicy( pthread_attr_t* attr, int policy );
int pthread_attr_getinheritsched( const pthread_attr_t* attr, int* inherit);
int pthread_attr_setinheritsched( pthread_attr_t* attr, int inherit );
int pthread_attr_getscope( const pthread_attr_t* attr, int* scope );
int pthread_attr_setscope( pthread_attr_t* attr, int scope );
  • detachstate，线程的脱离状态；
    • PTHREAD_CREATE_JOINABLE；可被回收；（默认值）
    • PTHREAD_CREATE_DETACH；脱离线程，退出时自行释放资源；
  • stackaddr 和 stacksize，线程堆栈的起始地址和大小；（一般由系统自动管理）
  • guardsize，保护区域大小；如果大于 0，系统创建线程时会在其堆栈的尾部额外分配 guardsize 字节空间，作为保护堆栈不被错误地覆盖的区域；如果通过 pthread_attr_setstackaddr或pthread_attr_setstack手动设置线程的堆栈，会忽略该属性；
  • schedparam，线程调度参数；该结构体目前只有一个整性类型成员 sched_priority，表示线程运行优先级；
  • schedpolicy，线程调度策略；
    • SCHED_FIFO；先进先出调度
    • SCHED_RR；轮转算法调度，这两种调度算法都具备实时调度功能，只能用于以超级用户身份运行的进程；
    • SCHED_OTHER； （默认值）
  • inheritsched，是否继承调用线程的调度属性；PTHREAD_INHERIT_SCHED 和 PTHREAD_EXPLICIT_SCHED，前者表示沿用其创建者的线程调度参数，这种情况下再设置新线程的调度参数将没有任何效果；后者表明需要为新线程设定新的调度参数；
  • scope，线程间竞争 CPU 的范围，即线程优先级的有效范围；目前 Linux 只支持 PTHREAD_SCOPE_SYSTEM 表明与系统中所有线程一起竞争 CPU 的使用；

2.4 POSIX 信号量

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