Linux进程、线程——保姆级助理解

1、进程（Process）

1.1 进程基本概念：

1.2 进程分类

1.3 进程的特征

1.4 进程和程序的区别

1.5 进程的状态

1.6 进程的创建——Fork()函数

1.6.1 简介

1.6.2 使用

1.7 进程终止

2、线程（Thread）

1.1 线程基本概念：

1.2 线程的一些相关知识

1.3 多线程的缺点

1.4 创建线程

1.4.1 创建线程 pthread_create

1.4.2 结束线程 pthread_exit

1.4.3 线程等待 pthread_join

1.4.4 线程分离 pthread_detach

1.4.5 助理解线程等待函数和线程分离函数

通俗理解

3、进程和线程的区别

3.1 区别

3.2 举例

3.3 总结

学习Linux的同学都知道，进程、线程这两个东西，有些同学理解能力强的看书上的概念就可以理解是什么，或者有些初学者，怎么看都看不明白；别担心，下面我将分别讲解进程、线程的概念再举相应的生活中的例子助理解，废话不多说，开始吧。

1、进程（Process）

有些童鞋觉得进程离我们很远，其实不然，我们可以随时看到，最直观的是打开我们电脑任务管理器。如下图：

1.1 进程基本概念：

对于进程的概念，我讲出三种概念，那种便于理解就理解那种，希望能够帮助需要的人。

① 描述和管理程序的"运行过程"称为进程。在Windows中可以打开任务管理器查看进程。

② 进程是程序在计算机上的一次执行活动。一个运行的程序，可能有多个进程。进程在操作系统中执行特定的任务。进程是正在执行的一个程序的实例，通常是由程序，数据集合和进程控制块三部分组成。

③进程是一个程序的执行实例，具有独立的内存空间和资源。操作系统为每个进程分配独立的资源，如内存、文件句柄等。进程之间是相互独立的，一个进程的崩溃不会影响其他进程。

为了便于理解，举一个生活中的例子，自行想象一下。

独立的房子：想象每个进程是一栋独立的房子，每栋房子有自己的院子、厨房、卧室等（内存和资源）。房子之间是独立的，一个房子的火灾不会直接影响到另一个房子。

1.2 进程分类

进程一般分为交互进程、批处理进程、守护进程。

①交互进程：是由shell启动的进程，它既可以在前台运行，也可以在后台运行。交互进程在执行过程中，交互进程在执行过程中，要求与用户进行交互操作。简单来说，就是用户需要给出某些参数或者信息，进程才能继续执行。

②批处理进程：与windows原来的批处理很类似，是一个进程序列。该进程负责按照顺序启动其它进程。

③守护进程：是执行特定功能或者执行系统相关任务的后台进程。守护进程只是一个特殊的进程，不是内核的组成部分。许多守护进程在系统启动时启动，直到系统关闭时才停止运行。而某些守护进程只是在需要时才会启动，比如FTP或者Apache服务等，可以在需要的时候才启动该服务。

1.3 进程的特征

1.动态性：进程是程序的一次执行过程，动态的产生，动态的消亡。

2.并发性：进程同其他进程一起向前推进。

3.异步性：每个进程按照自己各自的速度向前推进。

4.独立性：每个进程都是一个独立的实体，有自己独立的地址空间、资源和控制流。这意味着一个进程的执行不会直接影响其他进程的执行。

1.4 进程和程序的区别

1.动态与静态：进程是动态的，它是程序的一次执行过程；程序是静态的，它是一组指令的有序集合。

2.暂存与长存：进程是暂存的，它在内存上短暂驻留；程序是长存的，它在磁盘或者其他介质上长期保存。

3.程序和进程的对应关系：一个程序可能有多个进程(一个程序运行多次就会产生多个进程)。

1.5 进程的状态

1.运行状态(Running)：进程已经占有CPU，并且在CPU上运行。

2.就绪状态(Ready)：具有运行条件但没有CPU而暂时不能运行，处于就绪态的进程只要占有CPU便立马可以运行。

3.阻塞状态(Block)：进程因为等待某项服务的完成或者信号而不得不停下来，例如调用系统调用等待执行结果、I/O操作操作、等待合作进程的信号......

实际上不同的操作系统有不同的进程状态，某些操作系统甚至具有新建态(new)和终止态(terminate)：

Linux的进程状态：

1.可运行态：Linux没有就绪态，它把占有CPU的进程和处于就绪队列的进程的状态统称为可运行态。

2.阻塞态：Linux分为浅度阻塞和深度阻塞。浅度阻塞的进程可以被其他进程的信号或者时钟唤醒，反之深度阻塞的进程则不能。

3.僵尸态：进程终止运行时所处的状态，处于这个状态的进程会释放大部分资源。

4.挂起态：当调试程序时这个进程就处于挂起态。

1.6 进程的创建——Fork()函数

1.6.1 简介

fork()函数的功能是创建一个新的进程，新进程为当前进程的子进程，那么当前的进程为父进程。在一个函数中，可以通过fork()函数的返回值判断进程是在子进程中还是在父进程中。

①一个进程，包括代码、数据和分配给进程的资源。fork（）函数通过系统调用创建一个与原来进程几乎完全相同的进程，也就是两个进程可以做完全相同的事，但如果初始参数或者传入的变量不同，两个进程也可以做不同的事。

②一个进程调用fork（）函数后，系统先给新的进程分配资源，例如存储数据和代码的空间。然后把原来的进程的所有值都复制到新的新进程中，只有少数值与原来的进程的值不同。相当于克隆了一个自己

③fork()函数调用的一个奇妙之处就是它仅仅被调用一次，却能够返回两次，它可能有三种不同的返回值：
（1）在父进程中，fork()函数返回新创建子进程的进程ID；
（2）在子进程中，fork()函数返回0；
（3）如果出现错误，fork()函数返回一个负值；

1.6.2 使用

//示例
#include <stdio.h>
#include <unistd.h> int main()  
{pid_t pid;pid = fork();    //创建新进程if (pid  == 0) //返回子进程{ printf("child pid: %d\n", getpid());} else {printf("pid: %d\n", pid);//父进程中返回子进程的pidprintf("father pid: %d\n", getpid());}
}

①一个父进程希望复制自己，使父子进程同时执行不同的代码段。
比如在网络服务程序中，父进程等待客户端的服务请求。当请求到达时，父进程调用fork()使子进程处理此请求；而父进程继续等待下一个请求。

②一个进程要执行一个不同的程序。这个在shell下比较常见，这种情况下，fork()之后一般立即接exec函数。

③fork()函数出错可能有两种原因：
（1）当前的进程数已经达到了系统规定的上限，这时errno的值被设置为EAGAIN。
（2）系统内存不足，这时errno的值被设置为ENOMEM。

③每个进程都有一个独特（互不相同）的进程标识符（process ID），可以通过getpid（）函数获得，还有一个记录父进程pid的变量，可以通过getppid（）函数获得变量的值。

④fork()函数执行完毕后，出现两个进程。

vfor()函数

（1）vfork
基本功能和fork相同
（2）区别：
vfork()函数创建新进程的主要目的是exec一个新程序。
vfork()函数并不复制父进程的地址空间，并和父进程的内存数据share一起用。
vfork()函数保证子进程先运行。
当子进程调用exit()或exec()后，父进程往下执行。

1.7 进程终止

进程终止的5种正常情况
①在main中执行return（在main函数中会结束当前进程；子函数中，会返回调用当前函数的调用位置，进程从下个C语句开始执行）
②调用_exit 或_Exit（结束当前的进程，不对缓存区刷新）
③调用exit（结束当前的进程，并且会刷新缓存区，关闭没有关闭的文件等）
④进程的最后一个线程执行了返回语句
⑤进程的最后一个线程调用了pthread_exit函数

进程的3种异常终止方式

①调用abort，产生SIGABRT信号

②进程收到某些信号

③最后一个线程对“取消”请求作出响应

2、线程（Thread）

1.1 线程基本概念：

对于线程的概念，也是进程一样，讲多个概念。

①线程是进程中的一个执行单元，一个进程可以包含多个线程。线程共享进程的资源，如内存和文件句柄，但每个线程有自己的程序计数器、寄存器和栈。

②线程是包含在进程内。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务，线程之间资源是共享的。

③线程是CPU直接运行的实体，是CPU调度的基本单位。一个进程可以有多个执行路径，这些路径叫做线程。多个线程可以同时共享CPU，从而实现并发。

生活中的例子：

房子里的房间：想象一个进程是一栋房子，线程是房子里的房间。房子里的房间（线程）共享房子的院子、厨房等（进程的资源），但每个房间有自己的家具（程序计数器和栈）。房间之间可以并行使用资源，但一个房间的操作不会直接影响到其他房间。

1.2 线程的一些相关知识

①如果只有一个线程，任务就是顺序执行的。一个进程可以多个线程，每条线程并行执行不同的任务，引入多线程可以在执行某个任务的过程中，执行其他任务。所以在耗时多任务中，应用非常广泛。

②线程通常被称为轻量级的进程，线程虽然不是进程，但却可以看作是进程的表亲，同一进程中的多条线程将共享该进程中的全部系统资源。如：虚拟地址空间，文件描述符和信号处理等等

③线程可以提高应用程序在多核环境下处理诸如文件I/O或者socket I/O等会产生堵塞的情况的表现性能。

④同一进程中的多个线程有各自的调用栈(call stack)、寄存器环境（register context)、本地存储(thread-local storage)。

⑤在很多情况下，完成相关任务的不同代码间需要交换数据。如果采用多进程的方式，那么通信就需要在用户空间和内核空间进行频繁的切换，开销很大。但是如果使用多线程的方式，因为可以使用共享的全局变量，所以线程间的通信（数据交换）变得非常高效。

单线程程序：整个进程只有一个线程，不适用多线程技术时都是单线程程序，这个线程称为主线程。

多线程程序：整个进程有至少两个线程，多个线程当中一定存在一个主线程。

1.3 多线程的缺点

多线程并不是完美的，它也会带来许多让人头疼的问题。例如程序调试起来是非常困难的，因为是多个执行流并发执行的；并发的过程难以控制，因为CPU的调度是随机的，我们不能预测；线程安全问题，这也是最严重的问题，当多个线程同时访问同一份资源时，就会产生数据冲突、数据不一致等等问题。

1.4 创建线程

1.4.1 创建线程 pthread_create

创建线程是多线程编程的第一步，理解线程创建是多线程编程的关键；mian 函数运行时，系统会自动创建一个线程，称为主线程。通过 pthread_create创建的线程，称为子线程。创建线程的函数如下。

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg);

线程创建函数包含四个变量，分别为：

1. 一个线程变量名，被创建线程的标识；thread：用于存储新线程标识符的变量。

2.线程的属性指针，缺省为NULL即可；attr：用于设置新线程属性的指针，通常可以传入NULL以使用默认属性。

3.被创建线程的程序代码；start_routine：新线程的入口函数，是线程执行的起点。

4. 程序代码的参数；arg：传递给入口函数start_routine的参数。

返回值

1.若线程创建成功，返回0。

2.若线程创建失败，返回非0的错误码。

pthread_create函数的使用示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>// 线程函数
void* thread_function(void* arg) 
{int thread_num = *((int*)arg);printf("Hello from thread %d\n", thread_num);pthread_exit(NULL);
}int main() 
{pthread_t threads[5];int thread_args[5];int result_code;// 创建5个线程for (int i = 0; i < 5; ++i) {thread_args[i] = i;printf("Main: creating thread %d\n", i);result_code = pthread_create(&threads[i], NULL, thread_function, &thread_args[i]);if (result_code != 0) {printf("Error creating thread %d, error code: %d\n", i, result_code);exit(EXIT_FAILURE);}}// 等待所有线程结束for (int i = 0; i < 5; ++i) {result_code = pthread_join(threads[i], NULL);if (result_code != 0) {printf("Error joining thread %d, error code: %d\n", i, result_code);exit(EXIT_FAILURE);}}printf("Main: all threads completed.\n");return 0;
}

1.4.2 结束线程 pthread_exit

线程通过调用pthread_exit()函数终止执行，就如同进程在结束时调用exit函数一样。这个函数的作用是，终止调用它的线程并返回一个指向某个对象的指针。

void pthread_exit(void *retval);//retval用于存放线程结束的退出状态

1.4.3 线程等待 pthread_join

pthread_create调用成功以后，新线程和老线程谁先执行，谁后执行用户是不知道的，这一块取决与操作系统对线程的调度，如果我们需要等待指定线程结束，需要使用pthread_join函数，这个函数实际上类似与多进程编程中的waitpid。

作用：等待一个线程结束，并回收该线程的资源。
特点：这个函数会阻塞调用它的线程，直到被等待的线程终止。
使用场景：当你需要确认一个线程已经结束并获取它的退出状态时使用。

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
/*示例：
假设 A 线程调用 pthread_join 试图去操作B线程，该函数将A线程阻塞，直到B线程退出，当B线程退出以后，A线程会收集B线程的返回码。 该函数包含两个参数：pthread_t thread    //thread是要等待结束的线程的标识
void **thread_return     //指针thread_return指向的位置存放的是终止线程的返回状态。*/
//调用实例：
pthread_join(thread, NULL);

1.4.4 线程分离 pthread_detach

即主线程与子线程分离，子线程结束后，资源自动回收。

在POSIX线程库（pthread）中，pthread_detach函数用于将一个线程的状态设置为分离（detachedstate）状态。一个分离状态的线程在终止后，其资源会立即被回收，而不需要其他线程调用pthread_join来等待它的结束。这样可以避免资源泄漏，同时也简化了线程管理。

返回值：pthread_detach() 在调用成功完成之后返回零。其他任何返回值都表示出现了错误。如果检测到以下任一情况，pthread_detach()将失败并返回相应的值。

作用：将一个线程设置为分离状态。分离状态的线程在结束时，系统会自动回收它的资源。
特点：调用这个函数不会阻塞调用它的线程。分离状态的线程结束后，资源会自动回收，不需要通过 pthread_join 手动回收。
使用场景：当你不关心线程的退出状态，只希望它结束时能自动回收资源时使用。

1.4.5 助理解线程等待函数和线程分离函数

通俗理解

pthread_join：相当于你等你的朋友回家，等他回家了，你才能做其他事情。
pthread_detach：相当于你告诉朋友，不用告诉你他什么时候回家，他回家了自己开门，你继续做你的事情就好。

3、进程和线程的区别

3.1 区别

①内存空间：

进程：每个进程有自己独立的内存空间。
线程：同一进程中的线程共享内存空间。

②资源开销：

进程：创建和切换进程的开销较大。
线程：创建和切换线程的开销较小。

③通信方式：

进程：进程之间通信需要使用进程间通信机制（IPC），如管道、信号、共享内存等。
线程：线程之间直接共享内存，通信更方便，但需要注意同步和互斥。

④独立性：

进程：一个进程崩溃不会直接影响其他进程。
线程：一个线程的异常可能导致整个进程崩溃。

3.2 举例

举一个生活中的对比助于理解
独立的公司（进程）和公司内部的部门（线程）：
进程：每个公司（进程）有自己的办公室、设备和资源（内存和资源）。一个公司的倒闭（进程崩溃）不会直接影响到其他公司（进程）。
线程：每个公司 (进程) 内部可能有多个部门（线程），部门之间共享公司 (进程) 的资源（内存）。一个部门的错误操作（异常）可能会影响整个公司 (进程) 。

3.3 总结

①进程是操作系统分配资源和运行程序的基本单位，具有独立的内存空间和资源。

②线程是进程中的执行单元，共享进程的资源，但有独立的执行路径。

③进程和线程的主要区别在于资源的独立性和通信方式，进程之间更加独立，但通信复杂；线程之间通信方便，但需要注意同步和互斥。

④通过这些对比和生活中的类比，可以更好地理解进程和线程的概念及其应用。