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梁山话事人
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LINUX 进程与线程 信号量 通信

原文链接：https://blog.csdn.net/qq_39355828/article/details/110839777 (opens new window)

# 操作系统 进程与线程 信号量 通信

# 1 进程

进程模型：每个系统有自己的虚拟CPU，但CPU又在不同进程之间进行切换。一个进程就是一个正在执行的程序，包括程序寄存器和变量当前的值。

进程是某种类型的活动，它有程序。输入和输出以及状态。单个处理器可被若干进程共享，使用某种进程调度算法，决定何时停止一个进程的工作，并转而为另一个进程提供服务。

1.1进程的创建：系统初始化，正在运行的程序执行了创建进程的系统调用，用户请求创建一个新进程，一个批处理作业初始化。父进程（英语：Parent Process）指已创建一个或多个子进程的进程。

1.2进程的终止：正常退出，出错退出，严重错误，被其他进程杀死

1.3进程的层次结构：进程和它的所有子进程以及后裔共同组成一个进程组。

Linux是一个树结构 Windows中是地位相同，每个进程地位都是相等的，句柄标识父与子进程

1.4进程的状态：运行态 就绪态，阻塞态

运行态和就绪态是由调度程序引起的，

1.5进程的实现：

# 2.线程

每个进程有一个进程空间和一个控制线程，在一个应用中也发生着许多活动。并行实体拥有共享同一个地址空间和所有可用数据的能力。进程比线程更轻量级，实现并行计算。

多个线程可以共享公共 内存，允许他们同时访问同一个文件夹，三个进程做不到。所有线程会有完全一样的内存空间

一个进程打开了文件，该文件对该进程中其他线程都可见

每个线程都有自己的堆栈

在用户空间中实现线程：内核对线程包一无所知，从内核角度考虑，但线程进程。用户级线程包可以在不支持线程的操作系统上实现。

#include<pthread.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#define NUMBER_OF_THREADS 10
void *print_hello_world(void *tid)
{
    printf("Hello World.Greeting from thread %d\n",tid);
    pthread_exit(NULL);
}
int main()
{
    pthread_t threads[NUMBER_OF_TH];
    int status,i;
    for(i=0;i<NUMBER_OF_THREADS;i++)
        printf();
}
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进程和线程有一个关键的差别：线程完成时，把线程信息保存在线程表中，调用线程带哦都程序来选择另一个要运行的线程。不需要陷入内核，不需要上下文切换。不需要对内存告诉缓存进行刷新。

某个程序调用或者跳转到了一条不存在的内存指令上，就会发生页面故障

在内核中实现线程：

# 3.进程间通信

两个或多个进程写某些共享数据，最后结果取决于运行的精准时序，称为竞争条件

临界区：避免竞争条件需要的是互斥条件：确保某个进程在使用文件夹或者共享变量时候，其他进程不会进行同样的操作。共享内存进行访问的程序片段称为临界区域，适当安排，使得两个进程不可能同时处于临界区内，避免竞争条件。

忙等待的互斥：

1.屏蔽中断：每个进程刚进入临界区后立即屏蔽所有中断，并在就要离开之前再打开所有中断。CPU只有发生时钟中断时候才会进行进程切换，屏蔽后的CPU不会被切换到其他中断。缺点是对于多核处理器不能使用。

2.锁变量：检查，如果内存被占用则设为1，反之为0，0表示临界区内没有进程。但可能会发生同时进入而造成竞争条件。

3.严格轮换法：

连续测试一个变量值直到某个值出现为止，称为忙等待

两个进程严格轮流进入临界区，

while(TRUE)
{
while(turn!=0);
critical_region();
turn=1;
noncritical_region();
}
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4.Peterson解法

#define FALSE 0
#define TRUE 1
#define N 2
int turn;
int interested[N];
void enter_region(int process)
{
int other;//另一个进程号
other=1-process;//另一个进程
interested[process]=TRUE;//表示感兴趣
turn =process;//设置标志
while(turn==process&&interested[other]==TRUE);//空语句
}
void leave_region(int process)
{
    interested[process]=FALSE;
}
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# 5.信号量

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-prqKfDHi-1607345871930)(C:\Users\123\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1603195016154.png)]

  • 在缓冲区为空时，消费者不能再进行消费
  • 在缓冲区为满时，生产者不能再进行生产
  • 在一个线程进行生产或消费时，其余线程不能再进行生产或消费等操作，即保持线程间的同步
  • 注意条件变量与互斥锁的顺序 ​ 因此需要保持线程间的同步，即一个线程消费（或生产）完，其他线程才能进行竞争CPU，获得消费（或生产）的机会。对于这一点，可以使用条件变量进行线程间的同步：生产者线程在product之前，需要wait直至获取自己所需的信号量之后，才会进行product的操作；同样，对于消费者线程，在consume之前需要wait直到没有线程在访问共享区（缓冲区），再进行consume的操作，之后再解锁并唤醒其他可用阻塞线程。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-81HLnH8l-1607345871939)(C:\Users\123\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1603195156901.png)]

假设缓冲区大小为10，生产者、消费者线程若干。生产者和消费者相互等效,只要缓冲池未满,生产者便可将消息送入缓冲池;只要缓冲池未空,消费者便可从缓冲池中取走一个消息。

  • items代表缓冲区已经使用的资源数，spaces代表缓冲区可用资源数

  • mutex代表互斥锁

  • buf[10] 代表缓冲区，其内容类型为item

  • in、out代表第一个资源和最后一个资源 `var items = 0, space = 10, mutex = 1; var in = 0, out = 0; item buf[10] = { NULL };

    producer { while( true ) { wait( space ); // 等待缓冲区有空闲位置， 在使用PV操作时，条件变量需要在互斥锁之前 wait( mutex ); // 保证在product时不会有其他线程访问缓冲区

        // product
    buf.push( item, in );  // 将新资源放到buf[in]位置
    in = ( in + 1 ) % 10;

    signal( mutex );  // 唤醒的顺序可以不同
    signal( items );  // 通知consumer缓冲区有资源可以取走
}

    }

    consumer { while( true ) { wait( items ); // 等待缓冲区有资源可以使用 wait( mutex ); // 保证在consume时不会有其他线程访问缓冲区

        // consume
    buf.pop( out );  // 将buf[out]位置的的资源取走
    out = ( out + 1 ) % 10;

    signal( mutex );  // 唤醒的顺序可以不同
    signal( space );  // 通知缓冲区有空闲位置
}

    }`

6.调度

有多个进程同时竞争CPU，只要有两个或更多的进程处于就绪状态，这种情况就会发生。完成选择工作的这一部分程序称为调度程序，使用的算法称为调度算法。

6.1先来先服务：

6.2最短作业优先

6.3最短剩余时间优先

交互式系统中的调度：

轮转调度 优先级调度 多级调度

# 2.内存管理

# 1.地址空间

把物理地址暴露给进程会带来严重的问题：1.用户程序破坏操作系统，使得系统慢慢停止运行2.同时运行多个程序几乎不可能

多个程序同时处于内存中，不影响，需要 保护和重新定位

地址空间为程序创造了一种抽象的内存，地址空间是一个进程可用于寻址内存的一套地址集合。

基址寄存器与界限寄存器

交换技术：处理内存超载，将空闲进程存储在磁盘上。不运行时不会使用内存。分配额外内存

虚拟内存：每个进程有自己的进程空间，

# 3.进程相关的几个函数

1.获得当前进程的进程ID：get_pid.c

#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
    printf("The current process ID is %d\n",getpid());
    return 0;
}
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2.进程控制相关函数：

2.1 fork和vfork

fork

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
   int count=0;
   pid_t pid;//此时仅有一个进程
   pid=fork();//此时有两个进程再同时运行
   if(pid<0)
   {
       printf("ERROR IN FORK!");
       exit(1);//fork出错时退出
   }
   else if(pid==0)
   printf("子进程数量 子进程的ID是 %d\n",count,getpid());
   else
   printf("子进程数量 子进程的ID是 %d\n",++count,getpid());
    return 0;
}
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fork系统调用的作用是复制另一个进程，一个进程调用它，完成后出现两个几乎一模一样的进程，两次返回的区别是子进程的返回值是0，父进程的返回值则是新进程的进程ID。

fork与vfork之间有区别的，fork需要复制父进程的数据段，vfork不需要复制

#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    int count=1;
    int child;
    printf("Before create son,the father's count is: %d\n",count);
    child=vfork();//已经有两个进程在同时运行
    if(child<0)
    {
    printf("error in vfork!");
    exit(1);
    }
    if(child==0)//子进程
    {
    printf("This is son,his pid is: %d and the count is %d\n",getpid(),++count);
    }
    else
    printf("After son,This is father,his pid is : %d and the count is: %d, and the child is %d\n",getpid(),count,child);
    return 0;
}
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wait函数

#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
   pid_t pc,pr;
   if((pc==fork())<0)
   {
       printf("error in fork!\n");
       exit(1);
   }
   else if(pc==0)//子进程
   {
       printf("This is child process with pid of %d \n",getpid());
       sleep(10);
   }
   else //父进程
   {
       pr=wait(NULL);
       printf("I create a child with pid of %d\n",pr);
   }
    exit(0);
}
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进程 资源分配单位

PCB

链表 树 哈希 三种方法进行进程控制

宏观并行微观串行

僵尸状态 已经释放所有的资源 死亡后被父进程回收 由父进程读到子进程的死因。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-xsxCO5rt-1607346856174)(C:\Users\123\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1603956490379.png)]

内存泄漏 进程活着 ，运行越久

cpulimit 控制进程的停止态

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-KH00MvqH-1607346856177)(C:\Users\123\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1603957558318.png)]

fork时父进程返回子进程的PID 子进程返回0

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上次更新: 2026/08/11, 13:36:18
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