并发编程

并发与并行

• 并发是指在一个时间段内有多个进程在执行
• 并行指的是在同一时刻有多个进程在同时执行

注：如果在只有一个CPU的情况，是无法实现并行的，因为同一时刻只能有一个进程被调度执行，如果此时同时要执行其他进程则必须上下文切换，这只能称为并发，而如果是多个CPU的情况下，就可以同时调度多个进程，这种就可以称之为并行

高并发

• 高并发是使用技术手段使系统可以并行处理很多请求
  影响高并发因素，应对措施

进程

• 进程是程序的一次动态运行，是一个具有一定独立功能的程序在数据集合上依次动态执行的过程

特征

• 动态性，进程是程序的一次动态执行过程，进程有明确的生命周期
• 并发性，指多个进程可以同时存在于内存中，并且能够在一段时间内同时执行
• 独立性，进程是一个能够独立运行、独立获得资源和独立接受调度的基本单位，每个进程都有其独立的进程控制块（PCB）
• 异步性，每个进程都已不可预知的速度向前推进，因此OS需要提供相应的同步机制
• 结构性，进程由程序段、数据段和进程控制信息三部分组成

什么是进程？线程？

进程：进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，它是执行中的程序的一个实例，包括程序代码、当前活动、相关的数据结构以及一个或多个执行线程。
线程：线程是进程内的一个执行单元，也是处理器调度的基本单位。多个线程可以并行执行于同一个进程中，共享该进程的内存和资源。

进程与程序的区别

• 进程是程序的一个运行过程，是一个动态概念；而程序是一组有序的指令集合，是一种静态概念
• 进程是程序的一次执行过程，它是动态的创建和消亡的，具有一定的生命周期，是暂时存在的；而程序是一组代码的集合，它是永久存在的，可以长期保存
• 一个进程可以执行一个或几个程序，一个程序也可以构成多个进程，进程可以创建进程，而程序不能形成新的进程
• 进程和程序的组成不同，从静态角度看，进程由程序、数据和进程控制块三部分组成，而程序是一组有序的指令集合

进程与线程区别

• 资源拥有：进程是资源分配的基本单位，拥有独立的地址空间和系统资源（如文件描述符）；而线程作为进程的一部分，与同进程内的其他线程共享大部分资源。
• 调度和切换开销：进程间的切换和创建比线程更消耗资源，因为涉及到虚拟内存、全局变量等资源的复制或分配；线程之间的上下文切换更快，因为它们共享同一地址空间。
• 并发与通信：线程使得并发执行成为可能，同一进程内的线程间通信更为直接高效（通过共享内存）；而进程间通信通常需要使用IPC（进程间通信）机制，如管道、套接字等，相对复杂且开销
  大。

进程的五状态

进程的种类

• 交互进程：该进程需要人机交互，用户需要给该进程一个信息的反馈。（shell终端）
• 批处理进程：也称批处理文本或者批处理脚本，他们采用轮询的概念去依次执行。
• 守护进程：守护进程（Daemon）是运行在后台的一种特殊进程，它独立于用户的终端会话，没有控制终端，通常用于执行后台任务，如系统服务、监控、日志记录等。守护进程的特点是生命周期长，通常从系统启动时开始运行，直到系统关闭才停止。

查看进程命令

ps aux

ps axj

pstree

以树形关系呈现当前终端所有进程的所属关系

kill

常用的：杀死进程
方法：kill -9 pid; //pid为需要杀死的进程ID号

进程的创建

进程都是被进程创建出来的
1号进程：init进程
init进程创建出一个systemd进程！
终端也是一个进程，也是被创建出来的

fork函数

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

小于0，代表创建子进程失败，更新perror值
等于0，是在子进程中返回
大于0，是在父进程中返回，且含义为子进程的PID

fork总结

• 会完美拷贝父进程中的所有资源（堆栈，代码段，数据段…）
• 子进程会从fork的下一句话开始，会存在父子进程，通过返回值来判断是父进程还是子进程在执行
• 子进程永远都是在fork的下一句开始执行的（会用到fork之前定义的资源）
• 父子进程的执行顺序不确定
• 父子进程的地址空间独立，互不影响

vfork函数

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
pid_t vfork(void);
//用法同fork()!!!

原理：

vfork()函数创建新进程时并不复制父进程的地址空间,刚开始是运行在父进程的地址空间上的，且保障了子进程会优先被执行，当子进程执行了exec或者exit之后，父进程才有可能被调度。如果在调用exec或者exit之前，子进程依赖于父进程的进一步动作，则会导致死锁！
注意：使用vfork函数之后，子进程内部必须使用exec或者exit函数，否则会造成死锁的现象。

fork与vfork区别

联系：
fork() 和 vfork() 都是用于在Linux系统中创建新进程的系统调用
区别

• 资源复制:
  fork(): 当调用 fork() 时，父进程的所有资源（包括内存空间、打开的文件描述符等）都会被复制到子进程中，形成一个几乎完全独立的新进程。这意味着子进程拥有父进程数据的副本，对这些数据的修改不会影响父进程。
  vfork(): 而 vfork() 创建的子进程共享父进程的地址空间，不复制父进程的资源。子进程的任何写操作实际上会发生在父进程的内存上，因此必须非常小心，以避免干扰父进程的状态。vfork设计用于那些子进程将立即执行 exec() 系列函数（替换当前进程映像为新程序）的场景，这样可以避免不必要的资源复制开销。
• 执行顺序:
  fork(): 父进程和子进程的执行顺序不确定，由操作系统调度器决定。
  vfork(): 系统保证子进程先于父进程运行，直到子进程调用 exec() 或 _exit() 。在这之前，父进程会被阻塞，以防止子进程修改的数据影响到父进程的状态。
• 使用场景:
  fork(): 由于其创建的进程是独立的，适用于大多数需要创建新进程的场景。
  vfork(): 由于其资源不复制的特性，主要用于那些子进程将立即执行新程序，不需要或很少需要修改共享内存的场景。这减少了创建新进程的开销，提高了效率，但也限制了其适用范围。
• 安全性:
  使用 vfork() 需要特别小心，因为不当的使用可能导致死锁或数据损坏。子进程应避免执行除了调用 exec() 或 _exit() 之外的任何操作，尤其是避免对共享内存空间进行写操作。

总结而言， fork() 是创建独立新进程的通用方法，而 vfork() 则是一个优化手段，适用于特定场景下快速执行新程序而无需复制父进程资源的情况。在现代编程实践中，由于 fork() 的灵活性和安全性，它更为常见，而 vfork() 主要用于特定的性能敏感或资源受限的环境。

获取进程ID和父ID

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
pid_t getpid(void);//获取当前进程的ID号
pid_t getppid(void);//获取当前进程的父进程ID号

进程的退出

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
void exit(int status);
void _exit(int status);

status是一个整型的参数，可以利用这个参数传递进程结束的状态。通常0表示正常结束；
其他的数值表示出现了错误，进程非正常结束。在实际编程时，可以用wait系统调用接收子进程的返回值，进行相应的处理。

• 退出前：会做缓冲区的清空

• 退出前，不会检查是否有缓冲区内容未被清空，直接退出
  

僵尸进程和孤儿进程

僵尸进程

• 子进程先于父进程退出，而父进程没有回收子进程的退出资源（一小部分的PCB：struct_task的结构体），此时的子进程就会沦为僵尸进程
• 僵尸进程危害：内存泄漏
• 避免方法
  父进程应该及时调用wait()或waitpid()来回收子进程的终止状态，或者使用signal(SIGCHLD, SIG_IGN)忽略子进程退出信号，避免产生僵尸进程。另一种方式是在fork()之后使用double fork技巧，确保中间进程迅速终止，由init进程处理其后续。

孤儿进程

• 当一个进程的父进程终止，而它还在运行，那么这个子进程就变成了孤儿进程。孤儿进程会被init系统进程（PID为1）或会被systemd进程收养自动收养。
• 通常不需要特别处理，因为系统会自动将其收养。

回收僵尸进程

wait函数（阻塞）

• 调用该函数使进程阻塞，直到任意一个子进程结束或者是该进程接收到了一个信号为止。如果该进程没有子进程或者其子进程已经结束，wait函数会立即返回

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int* wstatus)

• (int* wstatus)关心子进程状态，就传入一个int类型指针
• 不关心子进程状态，就传入NULL
• 子进程的结束状态可由Linux中的一些特定的宏来测定
• 函数返回值：
  成功：返回子进程的进程号
  失败：返回-1
  

waitpid函数（可阻塞可不阻塞）

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options)

参数：

pid:
pid>0:只等待进程ID等于PID的子进程，不管有其他进程退出，只要指定的子进程还没有结束，waitpid就会一直等
pid = -1:等待任何一个子进程退出，此时和wait一样
pid = 0:等待其组ID等于调用进程的组ID的任一子进程
pid<-1:等待其组ID等于pid的绝对值的任意子进程

status同wait

options:
WNOHANG:若由pid指定的子进程并不立即可用，则waitpid不阻塞，此时返回值为0
0：同wait，阻塞父进程，等待子进程退出

返回值：
正常：结束的子进程进程号
使用选项WNOHANG，且没有子进程结束时，返回0
调用出错：-1