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linux——进程

article 2024/11/19 15:28:21

1、基本介绍

Linux系统中的并发处理是指同时处理多个任务的能力。Linux作为一个多用户、多任务的操作系统，提供了多种机制来支持并发执行。以下是一些与Linux并发处理相关的基本概念和工具：

多线程（Multithreading）：
- 线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。在Linux中，线程可以共享进程的资源，如内存空间，这使得线程间的通信更加高效。
多进程（Multiprocessing）：
- 进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。Linux支持多进程并发执行，每个进程拥有独立的内存空间。
进程调度（Process Scheduling）：
- Linux使用调度算法来决定哪个进程或线程应该在CPU上运行。常见的调度算法包括先来先服务（FCFS）、轮转调度（Round-Robin）、最短作业优先（SJF）等。
同步机制（Synchronization Mechanisms）：
- 为了协调并发执行的进程或线程，Linux提供了多种同步机制，如互斥锁（Mutexes）、信号量（Semaphores）、条件变量（Condition Variables）等。
异步I/O（Asynchronous I/O）：
- 异步I/O允许程序在等待I/O操作完成时继续执行其他任务，提高了系统的并发性能。
线程库（Thread Libraries）：
- Linux提供了多种线程库，如POSIX线程（pthreads）、GNU Pth等，用于在程序中创建和管理线程。
并发编程模型（Concurrency Models）：
- 并发编程模型提供了一种结构化的方式来处理并发，如使用事件驱动模型、反应堆模式（Reactor Pattern）等。
工具和命令：
- top、htop：实时显示系统中的进程和资源使用情况。
- ps：显示当前系统中的进程状态。
- strace：追踪程序执行时的系统调用和信号。
- gdb：调试多线程程序。
编程语言支持：
- 许多编程语言，如C、C++、Python、Java等，都提供了在Linux上进行并发编程的支持。

并发编程是一个复杂的话题，涉及到操作系统、硬件、编程语言和具体的应用场景。正确地实现并发可以显著提高程序的性能和响应速度，但同时也需要仔细处理同步和并发带来的问题，如死锁、竞态条件等。

2、互斥锁

在Linux中，使用互斥锁（mutex）来实现线程同步是一种常见的方法。互斥锁可以保证在任何时刻只有一个线程可以访问共享资源。

基本互斥锁涉及到的函数主要有：

1、pthread_mutex_init(),初始化一个互斥锁

2、pthread_mutex_lock()，在访问共享资源之前，线程需要锁定互斥锁，即不允许其他线程使用

3、pthread_mutex_unlock()，访问完共享资源后，线程需要解锁互斥锁，此时资源可被其他线程使用；

4、pthread_mutex_destroy(),摧毁互斥锁；

5、以下是一个使用线程访问共享资源的示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

// 定义一个全局变量作为共享资源
int counter = 0;

// 定义互斥锁
pthread_mutex_t mutex;

// 线程函数
void* increment_counter(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        // 锁定互斥锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 访问并修改共享资源
        counter++;
        // 解锁互斥锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    // 初始化互斥锁
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 创建两个线程
    pthread_t thread1, thread2;
    pthread_create(&thread1, NULL, increment_counter, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, increment_counter, NULL);

    // 等待线程结束
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    // 销毁互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    // 打印最终的计数器值
    printf("Counter value: %d\n", counter);

    return 0;
}

在这个示例中，两个线程都会增加counter变量的值，但是由于使用了互斥锁，每次只有一个线程能够修改counter，从而避免了竞态条件。

1、进程的含义?

进程是一个程序执行的过程，会去分配内存资源，cpu的调度。每个进程都有其自己的地址空间，内存分配，以及至少一个线程（即执行路径）。进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。

2、进程和程序的区别?

程序是静态的，是存储在硬盘中数据、代码的集合。
进程是动态的，程序执行的过程包括进程的创建，调度，消亡。
1、程序是永存的，进程是暂时的
2、进程有程序状态的变化，程序没有。
3、进程可以并发，程序无并发。
4、进程与进程间会存在争夺计算机资源。
5、一个程序可以运行多次，变成多个进程。
一个进程可以运行一个或多个程序。

计算机中内存的分布：

计算机内存的分布通常指的是内存中不同数据和程序的存储区域。在现代计算机系统中，内存（RAM）被划分为多个区域，每个区域都有特定的用途。以下是一些常见的内存分布区域：

代码段（Code Segment）：
- 存储程序的二进制指令。这部分内存是只读的，以防止程序在运行时被修改。
数据段（Data Segment）：
- 存储程序中已初始化的全局变量和静态变量。
- 通常在程序启动时分配，并在程序结束时释放。
堆（Heap）：
- 动态内存分配区域。程序在运行时可以请求分配或释放内存。堆内存由操作系统管理，通常用于存储动态分配的数据结构，如链表、树等。
栈（Stack）：
- 用于存储局部变量、函数参数和返回地址。每个函数调用都会在栈上创建一个栈帧（Stack Frame），用于存储当前函数的局部变量和返回地址。
- 栈是后进先出（LIFO）的数据结构，每次函数调用都会向栈顶添加数据，函数返回时从栈顶移除数据。
常量段（Constant Segment）：
- 存储程序中的常量值，这些值在程序执行过程中不会改变。
BSS段（Block Started by Symbol）：
- 存储未初始化的全局变量和静态变量。BSS段在程序启动时被初始化为零。
内存映射段（Memory-Mapped Segment）：
- 用于将文件或设备映射到内存中，以便程序可以直接通过内存操作来访问文件或设备。
缓存（Cache）：
- 虽然不是内存的一部分，但CPU缓存（如L1、L2、L3缓存）是内存访问的重要组成部分，用于提高数据访问速度。
虚拟内存：
- 操作系统使用虚拟内存技术将物理内存与磁盘空间结合起来，以允许程序使用比实际物理内存更大的地址空间。

这些内存区域的分布和使用由操作系统的内存管理单元（MMU）和内存分配器负责管理。操作系统
       进程分类：
       1、交互式进程：需要用户输入或提供用户反馈的进程。
       2、批处理进程：不需要用户交互，自动执行一系列任务的进程。
       3、守护进程通过这些机制来确保程序能够高效、安全地使用内存资源。

进程的作用：

资源分配：进程是资源分配的基本单位，操作系统通过进程来分配和管理CPU时间、内存、I/O设备等资源。
程序执行：进程是程序执行的实体，它包含了程序代码、当前活动、程序计数器、寄存器集合和进程状态等。
隔离性：每个进程都有自己独立的地址空间，这提供了一定程度的隔离，使得一个进程的崩溃不会直接影响到其他进程。
并发性：进程允许多个程序同时运行，提高了系统资源的利用率和系统的吞吐量。
独立性：每个进程都是一个独立的运行实体，拥有自己的生命周期和状态。
通信：进程间可以通过进程间通信（IPC）机制进行数据交换和同步。
调度：操作系统通过进程调度来决定哪个进程在何时使用CPU，从而实现多任务处理。
错误控制：进程提供了错误控制的边界，一个进程的错误通常不会传播到其他进程。

并发与并行的区别：

并发（Concurrency）：
- 定义：并发是指在一段时间内，多个进程或任务交替执行，给用户的感觉是它们同时发生。
- 时间共享：并发通常涉及到时间共享，即CPU在很短的时间内在多个进程之间切换，每个进程执行一小段时间。
- 单核处理器：即使在单核处理器上，也可以通过操作系统的调度实现并发执行。
- 目的：并发的主要目的是提高资源利用率和系统吞吐量。
并行（Parallelism）：
- 定义：并行是指多个进程或任务在同一时刻真正地同时执行。
- 硬件支持：并行需要硬件支持，如多核处理器或多处理器系统。
- 同时执行：并行执行意味着多个处理器或核心同时工作，每个处理器或核心可以执行不同的任务。
- 目的：并行的主要目的是提高处理速度和性能。