linux線程通信消息隊列

1. linux系統的進程間通信有哪幾種方式

一、方式

1、管道（Pipe）及有名管道（ mkpipe）：

管道可用於具有親緣關系進程間的通信，有名管道克服了管道沒有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它還允許無親緣關系進程間的通信；

2、信號（Signal）：

信號是比較復雜的通信方式，用於通知接受進程有某種事件發生，除了用於進程間通信外，進程還可以發送信號給進程本身。

linux除了支持Unix早期信號語義函數sigal外，還支持語義符合Posix.1標準的信號函數sigaction。

實際上，該函數是基於BSD的，BSD為了實現可靠信號機制，又能夠統一對外介面，用sigaction函數重新實現了signal函數。

3、消息隊列（Message）：

消息隊列是消息的鏈接表，包括Posix消息隊列system V消息隊列。有足夠許可權的進程可以向隊列中添加消息，被賦予讀許可權的進程則可以讀走隊列中的消息。消息隊列克服了信號承載信息量少，管道只能承載無格式位元組流以及緩沖區大小受限等缺點。

4、共享內存：

使得多個進程可以訪問同一塊內存空間，是最快的可用IPC形式。是針對其他通信機制運行效率較低而設計的。往往與其它通信機制，如信號量結合使用，來達到進程間的同步及互斥。

5、信號量（semaphore）：

主要作為進程間以及同一進程不同線程之間的同步手段。

6、套介面（Socket）：

更為一般的進程間通信機制，可用於不同機器之間的進程間通信。起初是由Unix系統的BSD分支開發出來的，但現在一般可以移植到其它類Unix系統上：Linux和System V的變種都支持套接字。

二、概念

進程間通信概念：

IPC—-InterProcess Communication

每個進程各自有不同的用戶地址空間,任何一個進程的全局變數在另一個進程中都看不到所以進程之間要交換數據必須通過內核。

在內核中開辟一塊緩沖區,進程1把數據從用戶空間拷到內核緩沖區,進程2再從內核緩沖區把數據讀走,內核提供的這種機制稱為進程間通信。

(1)linux線程通信消息隊列擴展閱讀

1）無名管道:

管道是半雙工的，數據只能向一個方向流動；需要雙方通信時，需要建立起兩個管道；只能用於父子進程或者兄弟進程之間（具有親緣關系的進程）。

管道對於管道兩端的進程而言，就是一個文件，但它不是普通的文件，它不屬於某種文件系統，構成兩進程間通信的一個媒介。

數據的讀出和寫入：一個進程向管道中寫的內容被管道另一端的進程讀出。寫入的內容每次都添加在管道緩沖區的末尾，並且每次都是從緩沖區的頭部讀出數據。

2）有名管道：

不同於管道之處在於它提供一個路徑名與之關聯，以FIFO的文件形式存在於文件系統中。這樣，即使與FIFO的創建進程不存在親緣關系的進程，只要可以訪問該路徑，就能夠彼此通過FIFO相互通信（能夠訪問該路徑的進程以及FIFO的創建進程之間）。

因此，通過FIFO不相關的進程也能交換數據。值得注意的是，FIFO嚴格遵循先進先出（first in first out），對管道及FIFO的讀總是從開始處返回數據，對它們的寫則把數據添加到末尾。它們不支持諸如lseek()等文件定位操作。

2. Linux - 進程間通信與線程通信方式

每個進程的用戶地址空間都是獨立的，一般而言是不能互相訪問的，但內核空間是每個進程都共享的，所以進程之間要通信必須通過內核。

上面命令行里的「|」豎線就是一個管道，它的功能是將前一個命令（ps auxf）的輸出，作為後一個命令（grep mysql）的輸入，從這功能描述，可以看出管道傳輸數據是單向的，如果想相互通信，我們需要創建兩個管道才行。

同時，我們得知上面這種管道是沒有名字，所以「|」表示的管道稱為匿名管道，用完了就銷毀。

管道還有另外一個類型是命名管道，也被叫做 FIFO，因為數據是先進先出的傳輸方式。

在使用命名管道前，先需要通過 mkfifo 命令來創建，並且指定管道名字

myPipe 就是這個管道的名稱，基於 Linux 一切皆文件的理念，所以管道也是以文件的方式存在，我們可以用 ls 看一下，這個文件的類型是 p，也就是 pipe（管道） 的意思：

你操作了後，你會發現命令執行後就停在這了，這是因為管道里的內容沒有被讀取，只有當管道里的數據被讀完後，命令才可以正常退出。

於是，我們執行另外一個命令來讀取這個管道里的數據：

可以看到，管道里的內容被讀取出來了，並列印在了終端上，另外一方面，echo 那個命令也正常退出了。

我們可以看出，管道這種通信方式效率低，不適合進程間頻繁地交換數據。當然，它的好處，自然就是簡單，同時也我們很容易得知管道里的數據已經被另一個進程讀取了。

前面說到管道的通信方式是效率低的，因此管道不適合進程間頻繁地交換數據。

對於這個問題，消息隊列的通信模式就可以解決。比如，A 進程要給 B 進程發送消息，A 進程把數據放在對應的消息隊列後就可以正常返回了，B 進程需要的時候再去讀取數據就可以了。同理，B 進程要給 A 進程發送消息也是如此。

再來，消息隊列是保存在內核中的消息鏈表，在發送數據時，會分成一個一個獨立的數據單元，也就是消息體（數據塊），消息體是用戶自定義的數據類型，消息的發送方和接收方要約定好消息體的數據類型，所以每個消息體都是固定大小的存儲塊，不像管道是無格式的位元組流數據。如果進程從消息隊列中讀取了消息體，內核就會把這個消息體刪除。

消息隊列生命周期隨內核，如果沒有釋放消息隊列或者沒有關閉操作系統，消息隊列會一直存在，而前面提到的匿名管道的生命周期，是隨進程的創建而建立，隨進程的結束而銷毀。

消息這種模型，兩個進程之間的通信就像平時發郵件一樣，你來一封，我回一封，可以頻繁溝通了。

但郵件的通信方式存在不足的地方有兩點，一是通信不及時，二是附件也有大小限制，這同樣也是消息隊列通信不足的點。

消息隊列不適合比較大數據的傳輸，因為在內核中每個消息體都有一個最大長度的限制，同時所有隊列所包含的全部消息體的總長度也是有上限。在 Linux 內核中，會有兩個宏定義 MSGMAX 和 MSGMNB，它們以位元組為單位，分別定義了一條消息的最大長度和一個隊列的最大長度。

消息隊列通信過程中，存在用戶態與內核態之間的數據拷貝開銷，因為進程寫入數據到內核中的消息隊列時，會發生從用戶態拷貝數據到內核態的過程，同理另一進程讀取內核中的消息數據時，會發生從內核態拷貝數據到用戶態的過程。

消息隊列的讀取和寫入的過程，都會有發生用戶態與內核態之間的消息拷貝過程。那共享內存的方式，就很好的解決了這一問題。

現代操作系統，對於內存管理，採用的是虛擬內存技術，也就是每個進程都有自己獨立的虛擬內存空間，不同進程的虛擬內存映射到不同的物理內存中。所以，即使進程 A 和 進程 B 的虛擬地址是一樣的，其實訪問的是不同的物理內存地址，對於數據的增刪查改互不影響。

用了共享內存通信方式，帶來新的問題，那就是如果多個進程同時修改同一個共享內存，很有可能就沖突了。例如兩個進程都同時寫一個地址，那先寫的那個進程會發現內容被別人覆蓋了。

為了防止多進程競爭共享資源，而造成的數據錯亂，所以需要保護機制，使得共享的資源，在任意時刻只能被一個進程訪問。正好，信號量就實現了這一保護機制。

信號量其實是一個整型的計數器，主要用於實現進程間的互斥與同步，而不是用於緩存進程間通信的數據。

信號量表示資源的數量，控制信號量的方式有兩種原子操作：

P 操作是用在進入共享資源之前，V 操作是用在離開共享資源之後，這兩個操作是必須成對出現的。

接下來，舉個例子，如果要使得兩個進程互斥訪問共享內存，我們可以初始化信號量為 1。

具體的過程如下：

可以發現，信號初始化為 1，就代表著是互斥信號量，它可以保證共享內存在任何時刻只有一個進程在訪問，這就很好的保護了共享內存。

另外，在多進程里，每個進程並不一定是順序執行的，它們基本是以各自獨立的、不可預知的速度向前推進，但有時候我們又希望多個進程能密切合作，以實現一個共同的任務。

例如，進程 A 是負責生產數據，而進程 B 是負責讀取數據，這兩個進程是相互合作、相互依賴的，進程 A 必須先生產了數據，進程 B 才能讀取到數據，所以執行是有前後順序的。

那麼這時候，就可以用信號量來實現多進程同步的方式，我們可以初始化信號量為 0。

具體過程：

可以發現，信號初始化為 0，就代表著是同步信號量，它可以保證進程 A 應在進程 B 之前執行。

跨機器進程間通信方式

同個進程下的線程之間都是共享進程的資源，只要是共享變數都可以做到線程間通信，比如全局變數，所以對於線程間關注的不是通信方式，而是關注多線程競爭共享資源的問題，信號量也同樣可以在線程間實現互斥與同步：

3. 麻煩解釋一下linux下進程和線程有什麼區別和聯系，linux下多線程和多進程通信的實現方法，請通俗解釋

兄弟看到你這么高的分我就找了些資料：也算是對昨天學的知識總結一下吧
一、先說概念不管是windows還是linux下的進程和線程概念都是一樣的，只是管理進程和線程的方式不一樣，這個是前提，到時候你可別問我windows下進程和線程啊。這個涉及到操作系統原理。下面給你解答。
說道進程不得不提作業這個名詞 ，我想兄弟你電腦里不會有一個程序吧對不？當你的系統啟動完畢後你看看你的任務管理器里是不是有很多進程呢？那麼多程序是怎麼調如內存呢？能理解嗎？這里要明白程序和進程的關系，程序是你磁碟上的一個文件，當你需要它時進入內存後才成為進程，好比QQ在磁碟上就是一個文件而已，只有進入了內存才成為進程，進程是活動的。QQ要掃描你文件啊，記錄你聊天記錄啊，偷偷上傳個啥東西什麼的你也不知道對不，他是活動的。這個能明白嗎？
再看作業，這個作業可不是你寫作業的那個作業啊。系統一看好傢伙你個QQ那麼大的傢伙你想一下子進入內存啊？沒門！慢慢來嘛，系統就把QQ程序分為好幾塊，這幾塊不能亂分的，要符合自然結構就是循環啦選擇啦這樣的結構，你把人家循環結構咔嚓截斷了，怎麼讓人家QQ運行啊？這就是作業要一塊一塊的進入內存，同時要為作業產生JCB（JOB CONTROL BLOCK)作業控制塊，你進入內存不能亂跑啊，要聽系統的話，你要是進入系統自己的內存。框一下，內存不能讀寫 對話框就出來了，嚴重點直接藍臉給你！你懂得。這是window下的，linux下直接給你報錯！沒事了就！所一系統通過jcb控制進程。JCB包含了進程號優先順序好多內容，你打開你的windows任務管理器看看進程是不是有好多屬性啊？那就是PCB（PRCESS，CONTROL BLOCK）同理作業也包含那些內容只是多少而已。下面寫出進程特點：
1、進程是分配計算機資源最小的單位。你想啊人是要用程序幹活的吧？你把程序調入內存成了就成了進程，所以說進程是分配資源的最小單位。你在linux下打開終端輸入top命令看是不是有好多進程？
2、進程有操作系統為作業產生。有「父進程」產生「子進程」之間是父子關系，並可以繼續向下產生「子進程」。還拿QQ來說，你雙擊QQ.exe。QQ啟動了輸入賬號密碼打開主界面了。這時候你要聊天，QQ進程趕緊產生個「兒子」說 「兒子你去陪主人聊天去吧。這樣子進程產生了。突然你想看美女要傳照片這時候那個」兒子「有」生「了一個」兒子「說」兒子「你去傳照片。那個「兒子領到任務去傳照片了。這時你想關了QQ，QQ提示你說」你還有個「兒子」和「孫子」還在幹活呢你真要結束嗎？你蒽了確定。QQ對他「兒子」（你聊天窗口）說：」兒子啊對不起了，主人要關閉我你也不能活啊「咔嚓一下」兒子「死了，兒子死之前對他兒子說：「兒子啊你爺爺不讓我活了，你也別活了咔嚓孫子也死了。最後世界安靜了。這就是進程的父子關系。能明白嗎？記住：進程之活動在內存中。不能使用CPU，只管分配資源。
再說線程：線程也產生在內存中並且在內存中存在相當長的時間，但它的活動區域主要在CPU中，並且運行和滅亡都存在於CPU中，可以這么說，線程是程序中能被系統調度進入CPU中最小程序單位，它能直接使用進程分配的CPU的資源。
還拿QQ來說當你要傳文件時QQ總要判斷一下文件的擴展名吧，ok這時那個」兒子「趕緊對它爸爸說我需要一個線程判斷擴展名QQ趕緊對一個管這個的線程說：」快點去CPU里計算下那個擴展名是什麼然後向主人報告計算完了就「死了」消亡了，但是它的線程還在內存中！還等著你下一次傳文件然後計算然後消亡！
線程之間是相互獨立的。一個在CPU，一個在內存里還能有關系嗎對不？CPU在每一個瞬間只能進入一個線程，當線程進入CPU時立即產生一個新的線程，新線程仍停留在內存中，就好比上面那個傳文件還會等著你再傳文件再計算擴展名。
線程相對線程是獨立的，但它在內存中並不是獨立的，這就好比你不開QQ能用QQ傳輸文件嗎？它只存在與進程分配的資源中，也就是說計算擴展名這個線程只能停留在QQ這個進程中，不能跑到別的進程里！！相當於程序產生了新的進程和線程，進程向CPU申請資源，再有線程來使用，他們都是為程序服務的只是分工不同！
因為你沒提問linux下是怎麼管理進程和線程的所以我就不回答了，這個問題我建議你還是看看《笨兔兔的故事》裡面講到了linux是怎麼管理進程和線程的。挺幽默的比我說得還好。
你第二個問題說實話我回答不了你！我想你現在連進程和線程還沒理解第二個你更理解不了了你說對不？我猜的其實你用C/C++不管是在windows下編程還是在Linux下編程思想都是一樣的對吧，如果你理解了在windows下線程間通信，在linux更沒問題了！
參考資料：黑客手冊2009合訂本非安全第一二季244頁，245頁，328頁，329頁，398頁，399頁
淺談操作系統原理 （一 二三）
ubuntu中文論壇 笨兔兔的故事
http://forum.ubuntu.org.cn/viewtopic.php?f=120&t=267518
希望我的回答你能理解

4. 進程間和線程間的協作區別在哪為什麼需要內核實現通信與同步

進程間和線程間的協作區別：
進程互斥、同步的概念

進程互斥、同步的概念是並發進程下存在的概念，有了並發進程，就產生了資源的競爭與協作，從而就要通過進程的互斥、同步、通信來解決資源的競爭與協作問題。
下面是根據《操作系統教程》3.1.4 中的介紹，整理的進程互斥、同步的概念。
在多道程序設計系統中，同一時刻可能有許多進程，這些進程之間存在兩種基本關系：競爭關系和協作關系。
進程的互斥、同步、通信都是基於這兩種基本關系而存在的，為了解決進程間競爭關系（間接制約關系）而引入進程互斥；為了解決進程間鬆散的協作關系( 直接制約關系)而引入進程同步；為了解決進程間緊密的協作關系而引入進程通信。
第一種是競爭關系
系統中的多個進程之間彼此無關，它們並不知道其他進程的存在，並且也不受其他進程執行的影響。例如，批處理系統中建立的多個用戶進程， 分時系統中建立的多個終端進程。由於這些進程共用了一套計算機系統資源，因而， 必然要出現多個進程競爭資源的問題。當多個進程競爭共享硬設備、存儲器、處理器 和文件等資源時，操作系統必須協調好進程對資源的爭用。
資源競爭出現了兩個控制問題：一個是死鎖 （deadlock ）問題，一組進程如果都獲得了部分資源，還想要得到其他進程所佔有的資源，最終所有的進程將陷入死鎖。另一個是飢餓（starvation ）問題，這是指這樣一種情況：一個進程由於其他進程總是優先於它而被無限期拖延。
操作系統需要保證諸進程能互斥地訪問臨界資源，既要解決飢餓問題，又要解決死鎖問題。
進程的互斥（mutual exclusion ）是解決進程間競爭關系( 間接制約關系) 的手段。 進程互斥指若干個進程要使用同一共享資源時，任何時刻最多允許一個進程去使用，其他要使用該資源的進程必須等待，直到佔有資源的進程釋放該資源。
第二種是協作關系
某些進程為完成同一任務需要分工協作，由於合作的每一個進程都是獨立地以不可預知的速度推進，這就需要相互協作的進程在某些協調點上協 調各自的工作。當合作進程中的一個到達協調點後，在尚未得到其夥伴進程發來的消息或信號之前應阻塞自己，直到其他合作進程發來協調信號或消息後方被喚醒並繼續執行。這種協作進程之間相互等待對方消息或信號的協調關系稱為進程同步。
進程間的協作可以是雙方不知道對方名字的間接協作，例如，通過共享訪問一個緩沖區進行鬆散式協作；也可以是雙方知道對方名字，直接通過通信機制進行緊密協作。允許進程協同工作有利於共享信息、有利於加快計算速度、有利於實現模塊化程序設計。
進程的同步（Synchronization）是解決進程間協作關系( 直接制約關系) 的手段。進程同步指兩個以上進程基於某個條件來協調它們的活動。一個進程的執行依賴於另一
個協作進程的消息或信號，當一個進程沒有得到來自於另一個進程的消息或信號時則需等待，直到消息或信號到達才被喚醒。
不難看出，進程互斥關系是一種特殊的進程同步關系，即逐次使用互斥共享資源，也是對進程使用資源次序上的一種協調。
進程通信的概念
下面是根據《操作系統教程》3.5 中的介紹，整理的進程通信的概念。
並發進程之間的交互必須滿足兩個基本要求：同步和通信。
進程競爭資源時要實施互斥，互斥是一種特殊的同步，實質上需要解決好進程同步問題，進程同步是一種進程通信，通過修改信號量，進程之間可建立起聯系，相互協調運行和協同工作。但是信號量與PV操作只能傳遞信號，沒有傳遞數據的能力。有些情況下進程之間交換的信息量雖很少，例如，僅僅交換某個狀態信息，但很多情況下進程之間需要交換大批數據，例如，傳送一批信息或整個文件，這可以通過一種新的通信機制來完成，進程之間互相交換信息的工作稱之為進程通信IPC （InterProcess Communication）（主要是指大量數據的交換）。進程間通信的方式很多，包括：
信號（signal ）通信機制；
信號量及其原語操作（PV、讀寫鎖、管程）控制的共享存儲區（shared memory ）通信機制；
管道（pipeline）提供的共享文件（shared file）通信機制；
信箱和發信/ 收信原語的消息傳遞（message passing ）通信機制。
其中前兩種通信方式由於交換的信息量少且效率低下，故稱為低級通信機制，相應地可把發信號/ 收信號及PV之類操作稱為低級通信原語，僅適用於集中式操作系統。消息傳遞機制屬於高級通信機制，共享文件通信機制是消息傳遞機制的變種，這兩種通信機制，既適用於集中式操作系統，又適用於分布式操作系統。
進程同步的方法
前面提到，進程互斥關系是一種特殊的進程同步關系，下面給出常見的進程同步的方法，實際上也可用於進程的互斥（個人理解）。
在何炎祥的《計算機操作系統》 3.2 節，將進程同步的機制與解決進程互斥方法看做是一樣的，的明確指出互斥的軟體解決方法為Dekker演算法與Peterson演算法，互斥的硬體解決方法為中斷方法、以及使用機器指令的方法，後面又給出了信號量、管程、消息傳遞三種方法。
實際應用中，不同的系統有不同的進程同步方法，CSDN帖子http://bbs.csdn.net/topics/80156687中有一些討論，Linux 與Windows的主要同步、通信機制如下：
Linux 下：
Linux 下常見的進程同步方法有：SysVIPC 的 sem（信號量）、file locking / record locking（通過 fcntl 設定的文件鎖、記錄鎖）、futex（基於共享內存的快速用戶態互斥鎖）。針對線程（pthread）的還有 pthread_mutex 和 pthread_cond（條件變數）。

Linux 下常見的進程通信的方法有 ：pipe（管道），FIFO（命名管道），socket（套接字），SysVIPC 的 shm（共享內存）、msg queue（消息隊列），mmap（文件映射）。以前還有 STREAM，不過現在比較少見了（好像）。
Windows下：
在Windwos中，進程同步主要有以下幾種：互斥量、信號量、事件、可等計時器等幾種技術。
在Windows下，進程通信主要有以下幾種：內存映射、管道、消息等，但是內存映射是最基礎的，因為，其他的進程通信手段在內部都是考內存映射來完成的。
線程的同步/通信與進程的同步/通信有區別嗎？
對於該問題，教材上沒有明確的回答，教材上給出的一般是進程而非線程的同步、通信方式。但網路上很多說法將兩者混為一談。根據教材，以及網上的說法，個人的理解為：
同步機制：
信號量、管程、互斥是進程的同步機制，而信號量、互斥也可用於線程的同步，但管程只在進程同步中被用到；
線程的同步除了信號量、互斥外，還有臨界區、事件，沒有看到教材上將這兩種方式作為進程的同步方式；
通信機制：
管道、FIFO、消息隊列、信號量、共享內存是進程的同步機制，教材上沒有線程的通信機制這樣的說法，但可以肯定這幾種方法是進程的通信方式，且其中的信號量既可用於進程的同步，又可用於進程的通信，在網路上還有說可以用於線程同步的。
管道與管程是不同的，管程是進程同步的方式，而管道則是進程通信的方式。
進程的同步/通信
下面是常見的線程之間的同步方式的詳細介紹。
（註：下面轉自網路，下面的同步、通信方式對於進程與線程分的不是很清楚，關於進程還是線程的解釋見上面——線程的同步/通信與進程的同步/通信有區別嗎？）
一、進程/線程間同步機制。
臨界區、互斥區、事件、信號量四種方式
臨界區（Critical Section）、互斥量（Mutex）、信號量（Semaphore）、事件（Event）的區別
1、臨界區：通過對多線程的串列化來訪問公共資源或一段代碼，速度快，適合控制數據訪問。
在任意時刻只允許一個線程對共享資源進行訪問，如果有多個線程試圖訪問公共資源，那麼在有一個線程進入後，其他試圖訪問公共資源的線程將被掛起，並一直等到進入臨界區的線程離開，臨界區在被釋放後，其他線程才可以搶占。
2、互斥量：採用互斥對象機制。
只有擁有互斥對象的線程才有訪問公共資源的許可權，因為互斥對象只有一個，所以能保證公共資源不會同時被多個線程訪問。互斥不僅能實現同一應用程序的公共資源安全共享，還能實現不同應用程序的公共資源安全共享 .互斥量比臨界區復雜。因為使用互斥不僅僅能夠在同一應用程序不同線程中實現資源的安全共享，而且可以在不同應用程序的線程之間實現對資源的安全共享。
3、信號量：它允許多個線程在同一時刻訪問同一資源，但是需要限制在同一時刻訪問此資源的最大線程數目 .
信號量對象對線程的同步方式與前面幾種方法不同，信號允許多個線程同時使用共享資源，這與操作系統中的PV操作相同。它指出了同時訪問共享資源的線程最大數目。它允許多個線程在同一時刻訪問同一資源，但是需要限制在同一時刻訪問此資源的最大線程數目。
PV操作及信號量的概念都是由荷蘭科學家E.W.Dijkstra提出的。信號量S是一個整數，S大於等於零時代表可供並發進程使用的資源實體數，但S小於零時則表示正在等待使用共享資源的進程數。
P操作申請資源：
（1）S減1；
（2）若S減1後仍大於等於零，則進程繼續執行；
（3）若S減1後小於零，則該進程被阻塞後進入與該信號相對應的隊列中，然後轉入進程調度。

V操作 釋放資源：
（1）S加1；
（2）若相加結果大於零，則進程繼續執行；
（3）若相加結果小於等於零，則從該信號的等待隊列中喚醒一個等待進程，然後再返回原進程繼續執行或轉入進程調度。
4、事 件： 通過通知操作的方式來保持線程的同步，還可以方便實現對多個線程的優先順序比較的操作 .
總結：
1． 互斥量與臨界區的作用非常相似，但互斥量是可以命名的，也就是說它可以跨越進程使用。所以創建互斥量需要的資源更多，所以如果只為了在進程內部是用的話使用臨界區會帶來速度上的優勢並能夠減少資源佔用量。因為互斥量是跨進程的互斥量一旦被創建，就可以通過名字打開它。
2． 互斥量（Mutex），信號燈（Semaphore），事件（Event）都可以被跨越進程使用來進行同步數據操作，而其他的對象與數據同步操作無關，但對於進程和線程來講，如果進程和線程在運行狀態則為無信號狀態，在退出後為有信號狀態。所以可以使用WaitForSingleObject來等待進程和線程退出。
3． 通過互斥量可以指定資源被獨占的方式使用，但如果有下面一種情況通過互斥量就無法處理，比如現在一位用戶購買了一份三個並發訪問許可的資料庫系統，可以根據用戶購買的訪問許可數量來決定有多少個線程/進程能同時進行資料庫操作，這時候如果利用互斥量就沒有辦法完成這個要求，信號燈對象可以說是一種資源計數器。
二、進程間通信方式
由於比較容易混淆，我們把進程間通信方法也列在這里做比較。
進程通信也就是所謂的IPC問題，主要是指進程間交換數據的方式。進程通信包括高級通信與低級通信，其中進程同步與互斥屬於低級通信，主要用於插U農地控制信號；高級通信包括三種：共享存儲系統（有的地方稱作共享內存區）、消息傳遞系統（有的地方稱作消息隊列）、管道。
信號量是進程同步與互斥的常用方法，也可以作為低級的進程通信方法，用於傳遞控制信號。
簡而言之，進程間通信方式主要包括管道、FIFO、消息隊列、信號量、共享內存。
1.管道，還有命名管道和非命名管道(即匿名管道)之分，非命名管道(即匿名管道)只能用於父子進程通訊，命名管道可用於非父子進程，命名管道就是FIFO，管道是先進先出的通訊方式
2.消息隊列，是用於兩個進程之間的通訊，首先在一個進程中創建一個消息隊列，然後再往消息隊列中寫數據，而另一個進程則從那個消息隊列中取數據。需要注意的是，消息隊列是用創建文件的方式建立的，如果一個進程向某個消息隊列中寫入了數據之後，另一個進程並沒有取出數據，即使向消息隊列中寫數據的進程已經結束，保存在消息隊列中的數據並沒有消失，也就是說下次再從這個消息隊列讀數據的時候，就是上次的數據！！！！
3.信號量，它與WINDOWS下的信號量是一樣的，所以就不用多說了
4.共享內存，類似於WINDOWS下的DLL中的共享變數，但LINUX下的共享內存區不需要像DLL這樣的東西，只要首先創建一個共享內存區，其它進程按照一定的步驟就能訪問到這個共享內存區中的數據，當然可讀可寫
以上幾種方式的比較：
1.管道：速度慢，容量有限，只有父子進程能通訊
2.FIFO：任何進程間都能通訊，但速度慢
3.消息隊列：容量受到系統限制，且要注意第一次讀的時候，要考慮上一次沒有讀完數據的問題
4.信號量：不能傳遞復雜消息，只能用來同步
5.共享內存區：能夠很容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如一個進程在寫的時候，另一個進程要注意讀寫的問題，相當於線程中的線程安全，當然，共享內存區同樣可以用作線程間通訊，不過沒這個必要，線程間本來就已經共享了同一進程內的一塊內存
本質上，信號量是一個計數器，它用來記錄對某個資源（如共享內存）的存取狀況。一般說來，為了獲得共享資源，進程需要執行下列操作：
（1）測試控制該資源的信號量；
（2）若此信號量的值為正，則允許進行使用該資源，進程將進號量減1；
（3）若此信號量為0，則該資源目前不可用，進程進入睡眠狀態，直至信號量值大於0，進程被喚醒，轉入步驟（1）；
（4）當進程不再使用一個信號量控制的資源時，信號量值加1，如果此時有進程正在睡眠等待此信號量，則喚醒此進程。
套接字通信並不為Linux所專有，在所有提供了TCP/IP協議棧的操作系統中幾乎都提供了socket，而所有這樣操作系統，對套接字的編程方法幾乎是完全一樣的
三、進程/線程同步機制與進程間通信機制比較
很明顯2者有類似，但是差別很大
同步主要是臨界區、互斥、信號量、事件
進程間通信是管道、內存共享、消息隊列、信號量、socket
共通之處是，信號量和消息（事件）
小結：
進程互斥、同步與通信的關系：進程競爭資源時要實施互斥，互斥是一種特殊的同步，實質上需要解決好進程同步問題，進程同步是一種進程通信，由此看來，進程互斥、同步都可以看做進程的通信；
信號量是進程同步與互斥的常用方法，也可以作為低級的進程通信方法，用於傳遞控制信號；
管道與管程是不同的，管程是進程同步的方式，而管道則是進程通信的方式；

5. linux 消息隊列線程安全嗎

安全！消息隊列是消息的鏈表，存放在內核中並有消息隊列標示符標示。

6. 簡述Linux進程間通信的幾種方式

進程間通訊進程間通信就是不同進程之間傳播或交換信息，進程的用戶空間是互相獨立的，進程之間可以利用系統空間交換信息。
管道(pipe)管道是一種半雙工的通信方式，數據只能單向流動。如果要進行雙工通信，需要建立兩個管道。
管道只能在具有親緣關系的進程間使用，例如父子進程或兄弟進程。
有名管道(named
pipe)
有名管道也是雙半工的通信方式，但它允許無親緣關系的進程間使用。
信號量(semophore)
信號量常用來作為一種鎖機制來使用，它是一個記數器，用來控制多進程對共享資源的訪問，防止多個進程同時訪問一個共享資源。信號量主要用作為進程間或同一進程間不同線程之間的同步手段。
信號(sinal)
信號是一種比較復雜的通信方式，用於通知接收進程某些事件已經發生，要注意信號處理中調用的函數是否為信號安全。
消息隊列(message
queue)
消息隊列是由消息的鏈表組成，存放在內核中並由消息隊列標識符標識。
共享內存(shared
memory)
共享內存就是映射一段被其他進程所訪問的內存，這段共享內存由一個進程創建，可由多個進程訪問。共享內存是最快的IPC方式，它是針對其他進程間通信方式的低運行效率而專門設計的。它往往與其他通信機制，如信號量，配合使用，來實現進程間的同步和通信。
套接字(socket)
套接字也是進程間通信的一種方式，與其他方式不同的是，它可以用在不同主機間的進程通信（也是它的主要用途）。
幾種方式的缺點
管道：
速度慢，容量有限，只能用於親緣關系進程間通信。
有名管道：
同管道，不過允許無親緣關系進程間通信。
消息隊列：
容量受系統限制，隊列中會遺留數據，讀時要考慮到這些未讀完的數據。
信號量：
主要用於同步，無法傳遞復雜的數據信息。

7. linux下 進程信號量和線程信號量的區別和聯系是什麼

信號量在進程是以有名信號量進行通信的，在線程是以無名信號進行通信的，因為線程專linux還沒有實現進程屬間的通信，所以在sem_init的第二個參數要為0，而且在多線程間的同步是可以通過有名信號量也可通過無名信號，但是一般情況線程的同步是無名信號量，無名信號量使用簡單，而且sem_t存儲在進程空間中，有名信號量必須LINUX內核管理，由內核結構struct ipc_ids 存儲，是隨內核持續的，系統關閉，信號量則刪除，當然也可以顯示刪除，通過系統調用刪除，
消息隊列，信號量，內存共享，這幾個都是一樣的原理。，只不過信號量分為有名與無名

8. 如何看懂《Linux多線程服務端編程

一：進程和線程
每個進程有自己獨立的地址空間。「在同一個進程」還是「不在同一個進程」是系統功能劃分的重要決策點。《Erlang程序設計》[ERL]把進程比喻為人：
每個人有自己的記憶（內存），人與人通過談話（消息傳遞）來交流，談話既可以是面談（同一台伺服器），也可以在電話里談（不同的伺服器，有網路通信）。面談和電話談的區別在於，面談可以立即知道對方是否死了（crash,SIGCHLD），而電話談只能通過周期性的心跳來判斷對方是否還活著。
有了這些比喻，設計分布式系統時可以採取「角色扮演」，團隊里的幾個人各自扮演一個進程，人的角色由進程的代碼決定（管登錄的、管消息分發的、管買賣的等等）。每個人有自己的記憶，但不知道別人的記憶，要想知道別人的看法，只能通過交談（暫不考慮共享內存這種IPC）。然後就可以思考：
·容錯：萬一有人突然死了
·擴容：新人中途加進來
·負載均衡：把甲的活兒挪給乙做
·退休：甲要修復bug，先別派新任務，等他做完手上的事情就把他重啟
等等各種場景，十分便利。

線程的特點是共享地址空間，從而可以高效地共享數據。一台機器上的多個進程能高效地共享代碼段(操作系統可以映射為同樣的物理內存)，但不能共享數據。如果多個進程大量共享內存，等於是把多進程程序當成多線程來寫，掩耳盜鈴。
「多線程」的價值，我認為是為了更好地發揮多核處理器(multi-cores)的效能。在單核時代，多線程沒有多大價值（個人想法：如果要完成的任務是CPU密集型的，那多線程沒有優勢，甚至因為線程切換的開銷，多線程反而更慢；如果要完成的任務既有CPU計算，又有磁碟或網路IO，則使用多線程的好處是，當某個線程因為IO而阻塞時，OS可以調度其他線程執行，雖然效率確實要比任務的順序執行效率要高，然而，這種類型的任務，可以通過單線程的」non-blocking IO+IO multiplexing」的模型（事件驅動）來提高效率，採用多線程的方式，帶來的可能僅僅是編程上的簡單而已）。Alan Cox說過：」A computer is a state machine.Threads are for people who can』t program state machines.」（計算機是一台狀態機。線程是給那些不能編寫狀態機程序的人准備的）如果只有一塊CPU、一個執行單元，那麼確實如Alan Cox所說，按狀態機的思路去寫程序是最高效的。

二：單線程伺服器的常用編程模型
據我了解，在高性能的網路程序中，使用得最為廣泛的恐怕要數」non-blocking IO + IO multiplexing」這種模型，即Reactor模式。
在」non-blocking IO + IO multiplexing」這種模型中，程序的基本結構是一個事件循環（event loop），以事件驅動（event-driven）和事件回調的方式實現業務邏輯：
[cpp] view plain
//代碼僅為示意，沒有完整考慮各種情況
while(!done)
{
int timeout_ms = max(1000, getNextTimedCallback());
int retval = poll(fds, nfds, timeout_ms);
if (retval<0){
處理錯誤，回調用戶的error handler
}else{
處理到期的timers,回調用戶的timer handler
if(retval>0){
處理IO事件，回調用戶的IO event handler
}
}
}

這里select(2)/poll(2)有伸縮性方面的不足（描述符過多時，效率較低），Linux下可替換為epoll(4)，其他操作系統也有對應的高性能替代品。
Reactor模型的優點很明顯，編程不難，效率也不錯。不僅可以用於讀寫socket，連接的建立(connect(2)/accept(2))，甚至DNS解析都可以用非阻塞方式進行，以提高並發度和吞吐量(throughput)，對於IO密集的應用是個不錯的選擇。lighttpd就是這樣，它內部的fdevent結構十分精妙，值得學習。
基於事件驅動的編程模型也有其本質的缺點，它要求事件回調函數必須是非阻塞的。對於涉及網路IO的請求響應式協議，它容易割裂業務邏輯，使其散布於多個回調函數之中，相對不容易理解和維護。

三：多線程伺服器的常用編程模型
大概有這么幾種：
a：每個請求創建一個線程，使用阻塞式IO操作。在Java 1.4引人NIO之前，這是Java網路編程的推薦做法。可惜伸縮性不佳（請求太多時，操作系統創建不了這許多線程）。
b：使用線程池，同樣使用阻塞式IO操作。與第1種相比，這是提高性能的措施。
c：使用non-blocking IO + IO multiplexing。即Java NIO的方式。
d：Leader/Follower等高級模式。
在默認情況下，我會使用第3種，即non-blocking IO + one loop per thread模式來編寫多線程C++網路服務程序。

1：one loop per thread
此種模型下，程序里的每個IO線程有一個event loop，用於處理讀寫和定時事件（無論周期性的還是單次的）。代碼框架跟「單線程伺服器的常用編程模型」一節中的一樣。
libev的作者說：
One loop per thread is usually a good model. Doing this is almost never wrong, some times a better-performance model exists, but it is always a good start.

這種方式的好處是：
a：線程數目基本固定，可以在程序啟動的時候設置，不會頻繁創建與銷毀。
b：可以很方便地在線程間調配負載。
c：IO事件發生的線程是固定的，同一個TCP連接不必考慮事件並發。

Event loop代表了線程的主循環，需要讓哪個線程幹活，就把timer或IO channel（如TCP連接）注冊到哪個線程的loop里即可：對實時性有要求的connection可以單獨用一個線程；數據量大的connection可以獨佔一個線程，並把數據處理任務分攤到另幾個計算線程中（用線程池）；其他次要的輔助性connections可以共享一個線程。
比如，在dbproxy中，一個線程用於專門處理客戶端發來的管理命令；一個線程用於處理客戶端發來的MySQL命令，而與後端資料庫通信執行該命令時，是將該任務分配給所有事件線程處理的。

對於non-trivial（有一定規模）的服務端程序，一般會採用non-blocking IO + IO multiplexing，每個connection/acceptor都會注冊到某個event loop上，程序里有多個event loop，每個線程至多有一個event loop。
多線程程序對event loop提出了更高的要求，那就是「線程安全」。要允許一個線程往別的線程的loop里塞東西，這個loop必須得是線程安全的。
在dbproxy中，線程向其他線程分發任務，是通過管道和隊列實現的。比如主線程accept到連接後，將表示該連接的結構放入隊列，並向管道中寫入一個位元組。計算線程在自己的event loop中注冊管道的讀事件，一旦有數據可讀，就嘗試從隊列中取任務。

2：線程池
不過，對於沒有IO而光有計算任務的線程，使用event loop有點浪費。可以使用一種補充方案，即用blocking queue實現的任務隊列：
[cpp] view plain
typedef boost::function<void()>Functor;
BlockingQueue<Functor> taskQueue; //線程安全的全局阻塞隊列

//計算線程
void workerThread()
{
while (running) //running變數是個全局標志
{
Functor task = taskQueue.take(); //this blocks
task(); //在產品代碼中需要考慮異常處理
}
}

// 創建容量（並發數）為N的線程池
int N = num_of_computing_threads;
for (int i = 0; i < N; ++i)
{
create_thread(&workerThread); //啟動線程
}

//向任務隊列中追加任務
Foo foo; //Foo有calc()成員函數
boost::function<void()> task = boost::bind(&Foo::calc，&foo);
taskQueue.post(task);

除了任務隊列，還可以用BlockingQueue<T>實現數據的生產者消費者隊列，即T是數據類型而非函數對象，queue的消費者從中拿到數據進行處理。其實本質上是一樣的。

3：總結
總結而言，我推薦的C++多線程服務端編程模式為：one (event) loop per thread + thread pool：
event loop用作IO multiplexing，配合non-blockingIO和定時器；
thread pool用來做計算，具體可以是任務隊列或生產者消費者隊列。

以這種方式寫伺服器程序，需要一個優質的基於Reactor模式的網路庫來支撐，muo正是這樣的網路庫。比如dbproxy使用的是libevent。
程序里具體用幾個loop、線程池的大小等參數需要根據應用來設定，基本的原則是「阻抗匹配」（解釋見下），使得CPU和IO都能高效地運作。所謂阻抗匹配原則：
如果池中線程在執行任務時，密集計算所佔的時間比重為 P (0 < P <= 1)，而系統一共有 C 個 CPU，為了讓這 C 個 CPU 跑滿而又不過載，線程池大小的經驗公式 T = C/P。（T 是個 hint，考慮到 P 值的估計不是很准確，T 的最佳值可以上下浮動 50%）
以後我再講這個經驗公式是怎麼來的，先驗證邊界條件的正確性。
假設 C = 8，P = 1.0，線程池的任務完全是密集計算，那麼T = 8。只要 8 個活動線程就能讓 8 個 CPU 飽和，再多也沒用，因為 CPU 資源已經耗光了。
假設 C = 8，P = 0.5，線程池的任務有一半是計算，有一半等在 IO 上，那麼T = 16。考慮操作系統能靈活合理地調度 sleeping/writing/running 線程，那麼大概 16 個「50%繁忙的線程」能讓 8 個 CPU 忙個不停。啟動更多的線程並不能提高吞吐量，反而因為增加上下文切換的開銷而降低性能。
如果 P < 0.2，這個公式就不適用了，T 可以取一個固定值，比如 5*C。

另外，公式里的 C 不一定是 CPU 總數，可以是「分配給這項任務的 CPU 數目」，比如在 8 核機器上分出 4 個核來做一項任務，那麼 C=4。

四：進程間通信只用TCP
Linux下進程間通信的方式有：匿名管道(pipe)、具名管道(FIFO)、POSIX消息隊列、共享內存、信號(signals)，以及Socket。同步原語有互斥器(mutex)、條件變數(condition variable)、讀寫鎖(reader-writer lock)、文件鎖(record locking)、信號量(semaphore)等等。

進程間通信我首選Sockets（主要指TCP，我沒有用過UDP，也不考慮Unix domain協議）。其好處在於：
可以跨主機，具有伸縮性。反正都是多進程了，如果一台機器的處理能力不夠，很自然地就能用多台機器來處理。把進程分散到同一區域網的多台機器上，程序改改host:port配置就能繼續用；
TCP sockets和pipe都是操作文件描述符，用來收發位元組流，都可以read/write/fcntl/select/poll等。不同的是，TCP是雙向的，Linux的pipe是單向的，進程間雙向通信還得開兩個文件描述符，不方便；而且進程要有父子關系才能用pipe，這些都限制了pipe的使用；
TCP port由一個進程獨占，且進程退出時操作系統會自動回收文件描述符。因此即使程序意外退出，也不會給系統留下垃圾，程序重啟之後能比較容易地恢復，而不需要重啟操作系統（用跨進程的mutex就有這個風險）；而且，port是獨占的，可以防止程序重復啟動，後面那個進程搶不到port，自然就沒法初始化了，避免造成意料之外的結果；
與其他IPC相比，TCP協議的一個天生的好處是「可記錄、可重現」。tcpmp和Wireshark是解決兩個進程間協議和狀態爭端的好幫手，也是性能（吞吐量、延遲）分析的利器。我們可以藉此編寫分布式程序的自動化回歸測試。也可以用tcp之類的工具進行壓力測試。TCP還能跨語言，服務端和客戶端不必使用同一種語言。

分布式系統的軟體設計和功能劃分一般應該以「進程」為單位。從宏觀上看，一個分布式系統是由運行在多台機器上的多個進程組成的，進程之間採用TCP長連接通信。
使用TCP長連接的好處有兩點：一是容易定位分布式系統中的服務之間的依賴關系。只要在機器上運行netstat -tpna|grep <port>就能立刻列出用到某服務的客戶端地址（Foreign Address列），然後在客戶端的機器上用netstat或lsof命令找出是哪個進程發起的連接。TCP短連接和UDP則不具備這一特性。二是通過接收和發送隊列的長度也較容易定位網路或程序故障。在正常運行的時候，netstat列印的Recv-Q和Send-Q都應該接近0，或者在0附近擺動。如果Recv-Q保持不變或持續增加，則通常意味著服務進程的處理速度變慢，可能發生了死鎖或阻塞。如果Send-Q保持不變或持續增加，有可能是對方伺服器太忙、來不及處理，也有可能是網路中間某個路由器或交換機故障造成丟包，甚至對方伺服器掉線，這些因素都可能表現為數據發送不出去。通過持續監控Recv-Q和Send-Q就能及早預警性能或可用性故障。以下是服務端線程阻塞造成Recv-Q和客戶端Send-Q激增的例子：
[cpp] view plain
$netstat -tn
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign
tcp 78393 0 10.0.0.10:2000 10.0.0.10:39748 #服務端連接
tcp 0 132608 10.0.0.10:39748 10.0.0.10:2000 #客戶端連接
tcp 0 52 10.0.0.10:22 10.0.0.4:55572

五：多線程伺服器的適用場合
如果要在一台多核機器上提供一種服務或執行一個任務，可用的模式有：
a：運行一個單線程的進程；
b：運行一個多線程的進程；
c：運行多個單線程的進程；
d：運行多個多線程的進程；

考慮這樣的場景：如果使用速率為50MB/s的數據壓縮庫，進程創建銷毀的開銷是800微秒，線程創建銷毀的開銷是50微秒。如何執行壓縮任務？
如果要偶爾壓縮1GB的文本文件，預計運行時間是20s，那麼起一個進程去做是合理的，因為進程啟動和銷毀的開銷遠遠小於實際任務的耗時。
如果要經常壓縮500kB的文本數據，預計運行時間是10ms，那麼每次都起進程 似乎有點浪費了，可以每次單獨起一個線程去做。
如果要頻繁壓縮10kB的文本數據，預計運行時間是200微秒，那麼每次起線程似 乎也很浪費，不如直接在當前線程搞定。也可以用一個線程池，每次把壓縮任務交給線程池，避免阻塞當前線程（特別要避免阻塞IO線程）。
由此可見，多線程並不是萬靈丹(silver bullet)。

1：必須使用單線程的場合
據我所知，有兩種場合必須使用單線程：
a：程序可能會fork(2)；
實際編程中，應該保證只有單線程程序能進行fork(2)。多線程程序不是不能調用fork(2)，而是這么做會遇到很多麻煩：
fork一般不能在多線程程序中調用，因為Linux的fork只克隆當前線程的thread of control，不可隆其他線程。fork之後，除了當前線程之外，其他線程都消失了。
這就造成一種危險的局面。其他線程可能正好處於臨界區之內，持有了某個鎖，而它突然死亡，再也沒有機會去解鎖了。此時如果子進程試圖再對同一個mutex加鎖，就會立即死鎖。因此，fork之後，子進程就相當於處於signal handler之中（因為不知道調用fork時，父進程中的線程此時正在調用什麼函數，這和信號發生時的場景一樣），你不能調用線程安全的函數（除非它是可重入的），而只能調用非同步信號安全的函數。比如，fork之後，子進程不能調用：
malloc，因為malloc在訪問全局狀態時幾乎肯定會加鎖；
任何可能分配或釋放內存的函數，比如snprintf；
任何Pthreads函數；
printf系列函數，因為其他線程可能恰好持有stdout/stderr的鎖；
除了man 7 signal中明確列出的信號安全函數之外的任何函數。

因此，多線程中調用fork，唯一安全的做法是fork之後，立即調用exec執行另一個程序，徹底隔斷子進程與父進程的聯系。

在多線程環境中調用fork，產生子進程後。子進程內部只存在一個線程，也就是父進程中調用fork的線程的副本。
使用fork創建子進程時，子進程通過繼承整個地址空間的副本，也從父進程那裡繼承了所有互斥量、讀寫鎖和條件變數的狀態。如果父進程中的某個線程佔有鎖，則子進程同樣佔有這些鎖。問題是子進程並不包含佔有鎖的線程的副本，所以子進程沒有辦法知道它佔有了哪些鎖，並且需要釋放哪些鎖。
盡管Pthread提供了pthread_atfork函數試圖繞過這樣的問題，但是這回使得代碼變得混亂。因此《Programming With Posix Threads》一書的作者說：」Avoid using fork in threaded code except where the child process will immediately exec a new program.」。

b：限製程序的CPU佔用率；
這個很容易理解，比如在一個8核的伺服器上，一個單線程程序即便發生busy-wait，占滿1個core，其CPU使用率也只有12.5%，在這種最壞的情況下，系統還是有87.5%的計算資源可供其他服務進程使用。
因此對於一些輔助性的程序，如果它必須和主要服務進程運行在同一台機器的話，那麼做成單線程的能避免過分搶奪系統的計算資源。

9. linux進程間通信 socket 共享內存 哪個快

進程間通訊進程間通信就是不同進程之間傳播或交換信息，進程的用戶空間是互相獨立的，進程之間可以利用系統空間交換信息。 管道(pipe)管道是一種半雙工的通信方式，數據只能單向流動。如果要進行雙工通信，需要建立兩個管道。 管道只能在具有親緣關系的進程間使用，例如父子進程或兄弟進程。 有名管道(named pipe) 有名管道也是雙半工的通信方式，但它允許無親緣關系的進程間使用。 信號量(semophore) 信號量常用來作為一種鎖機制來使用，它是一個記數器，用來控制多進程對共享資源的訪問，防止多個進程同時訪問一個共享資源。信號量主要用作為進程間或同一進程間不同線程之間的同步手段。 信號(sinal) 信號是一種比較復雜的通信方式，用於通知接收進程某些事件已經發生，要注意信號處理中調用的函數是否為信號安全。 消息隊列(message queue) 消息隊列是由消息的鏈表組成，存放在內核中並由消息隊列標識符標識。 共享內存(shared memory) 共享內存就是映射一段被其他進程所訪問的內存，這段共享內存由一個進程創建，可由多個進程訪問。共享內存是最快的IPC方式，它是針對其他進程間通信方式的低運行效率而專門設計的。它往往與其他通信機制，如信號量，配合使用，來實現進程間的同步和通信。 套接字(socket) 套接字也是進程間通信的一種方式，與其他方式不同的是，它可以用在不同主機間的進程通信（也是它的主要用途）。 幾種方式的缺點 管道： 速度慢，容量有限，只能用於親緣關系進程間通信。 有名管道： 同管道，不過允許無親緣關系進程間通信。 消息隊列： 容量受系統限制，隊列中會遺留數據，讀時要考慮到這些未讀完的數據。 信號量： 主要用於同步，無法傳遞復雜的數據信息。

10. 一個Linux多進程編程

1 引言
對於沒有接觸過Unix/Linux操作系統的人來說，fork是最難理解的概念之一：它執行一次卻返回兩個值。fork函數是Unix系統最傑出的成就之一，它是七十年代UNIX早期的開發者經過長期在理論和實踐上的艱苦探索後取得的成果，一方面，它使操作系統在進程管理上付出了最小的代價，另一方面，又為程序員提供了一個簡潔明了的多進程方法。與DOS和早期的Windows不同，Unix/Linux系統是真正實現多任務操作的系統，可以說，不使用多進程編程，就不能算是真正的Linux環境下編程。
多線程程序設計的概念早在六十年代就被提出，但直到八十年代中期，Unix系統中才引入多線程機制，如今，由於自身的許多優點，多線程編程已經得到了廣泛的應用。
下面，我們將介紹在Linux下編寫多進程和多線程程序的一些初步知識。

2 多進程編程
什麼是一個進程？進程這個概念是針對系統而不是針對用戶的，對用戶來說，他面對的概念是程序。當用戶敲入命令執行一個程序的時候，對系統而言，它將啟動一個進程。但和程序不同的是，在這個進程中，系統可能需要再啟動一個或多個進程來完成獨立的多個任務。多進程編程的主要內容包括進程式控制制和進程間通信，在了解這些之前，我們先要簡單知道進程的結構。

2.1 Linux下進程的結構
Linux下一個進程在內存里有三部分的數據，就是"代碼段"、"堆棧段"和"數據段"。其實學過匯編語言的人一定知道，一般的CPU都有上述三種段寄存器，以方便操作系統的運行。這三個部分也是構成一個完整的執行序列的必要的部分。
"代碼段"，顧名思義，就是存放了程序代碼的數據，假如機器中有數個進程運行相同的一個程序，那麼它們就可以使用相同的代碼段。"堆棧段"存放的就是子程序的返回地址、子程序的參數以及程序的局部變數。而數據段則存放程序的全局變數，常數以及動態數據分配的數據空間（比如用malloc之類的函數取得的空間）。這其中有許多細節問題，這里限於篇幅就不多介紹了。系統如果同時運行數個相同的程序，它們之間就不能使用同一個堆棧段和數據段。

2.2 Linux下的進程式控制制
在傳統的Unix環境下，有兩個基本的操作用於創建和修改進程：函數fork( )用來創建一個新的進程，該進程幾乎是當前進程的一個完全拷貝；函數族exec( )用來啟動另外的進程以取代當前運行的進程。Linux的進程式控制制和傳統的Unix進程式控制制基本一致，只在一些細節的地方有些區別，例如在Linux系統中調用vfork和fork完全相同，而在有些版本的Unix系統中，vfork調用有不同的功能。由於這些差別幾乎不影響我們大多數的編程，在這里我們不予考慮。
2.2.1 fork( )
fork在英文中是"分叉"的意思。為什麼取這個名字呢？因為一個進程在運行中，如果使用了fork，就產生了另一個進程，於是進程就"分叉"了，所以這個名字取得很形象。下面就看看如何具體使用fork，這段程序演示了使用fork的基本框架：

void main(){
int i;
if ( fork() == 0 ) {
/* 子進程程序 */
for ( i = 1; i <1000; i ++ ) printf("This is child process\n");
}
else {
/* 父進程程序*/
for ( i = 1; i <1000; i ++ ) printf("This is process process\n");
}
}
程序運行後，你就能看到屏幕上交替出現子進程與父進程各列印出的一千條信息了。如果程序還在運行中，你用ps命令就能看到系統中有兩個它在運行了。
那麼調用這個fork函數時發生了什麼呢？fork函數啟動一個新的進程，前面我們說過，這個進程幾乎是當前進程的一個拷貝：子進程和父進程使用相同的代碼段；子進程復制父進程的堆棧段和數據段。這樣，父進程的所有數據都可以留給子進程，但是，子進程一旦開始運行，雖然它繼承了父進程的一切數據，但實際上數據卻已經分開，相互之間不再有影響了，也就是說，它們之間不再共享任何數據了。它們再要交互信息時，只有通過進程間通信來實現，這將是我們下面的內容。既然它們如此相象，系統如何來區分它們呢？這是由函數的返回值來決定的。對於父進程，fork函數返回了子程序的進程號，而對於子程序，fork函數則返回零。在操作系統中，我們用ps函數就可以看到不同的進程號，對父進程而言，它的進程號是由比它更低層的系統調用賦予的，而對於子進程而言，它的進程號即是fork函數對父進程的返回值。在程序設計中，父進程和子進程都要調用函數fork（）下面的代碼，而我們就是利用fork（）函數對父子進程的不同返回值用if...else...語句來實現讓父子進程完成不同的功能，正如我們上面舉的例子一樣。我們看到，上面例子執行時兩條信息是交互無規則的列印出來的，這是父子進程獨立執行的結果，雖然我們的代碼似乎和串列的代碼沒有什麼區別。
讀者也許會問，如果一個大程序在運行中，它的數據段和堆棧都很大，一次fork就要復制一次，那麼fork的系統開銷不是很大嗎？其實UNIX自有其解決的辦法，大家知道，一般CPU都是以"頁"為單位來分配內存空間的，每一個頁都是實際物理內存的一個映像，象INTEL的CPU，其一頁在通常情況下是4086位元組大小，而無論是數據段還是堆棧段都是由許多"頁"構成的，fork函數復制這兩個段，只是"邏輯"上的，並非"物理"上的，也就是說，實際執行fork時，物理空間上兩個進程的數據段和堆棧段都還是共享著的，當有一個進程寫了某個數據時，這時兩個進程之間的數據才有了區別，系統就將有區別的"頁"從物理上也分開。系統在空間上的開銷就可以達到最小。
下面演示一個足以"搞死"Linux的小程序，其源代碼非常簡單：
void main()
{
for( ; ; ) fork();
}
這個程序什麼也不做，就是死循環地fork，其結果是程序不斷產生進程，而這些進程又不斷產生新的進程，很快，系統的進程就滿了，系統就被這么多不斷產生的進程"撐死了"。當然只要系統管理員預先給每個用戶設置可運行的最大進程數，這個惡意的程序就完成不了企圖了。
2.2.2 exec( )函數族
下面我們來看看一個進程如何來啟動另一個程序的執行。在Linux中要使用exec函數族。系統調用execve（）對當前進程進行替換，替換者為一個指定的程序，其參數包括文件名（filename）、參數列表（argv）以及環境變數（envp）。exec函數族當然不止一個，但它們大致相同，在Linux中，它們分別是：execl，execlp，execle，execv，execve和execvp，下面我只以execlp為例，其它函數究竟與execlp有何區別，請通過manexec命令來了解它們的具體情況。
一個進程一旦調用exec類函數，它本身就"死亡"了，系統把代碼段替換成新的程序的代碼，廢棄原有的數據段和堆棧段，並為新程序分配新的數據段與堆棧段，唯一留下的，就是進程號，也就是說，對系統而言，還是同一個進程，不過已經是另一個程序了。（不過exec類函數中有的還允許繼承環境變數之類的信息。）
那麼如果我的程序想啟動另一程序的執行但自己仍想繼續運行的話，怎麼辦呢？那就是結合fork與exec的使用。下面一段代碼顯示如何啟動運行其它程序：

char command[256];
void main()
{
int rtn; /*子進程的返回數值*/
while(1) {
/* 從終端讀取要執行的命令 */
printf( ">" );
fgets( command, 256, stdin );
command[strlen(command)-1] = 0;
if ( fork() == 0 ) {
/* 子進程執行此命令 */
execlp( command, command );
/* 如果exec函數返回，表明沒有正常執行命令，列印錯誤信息*/
perror( command );
exit( errorno );
}
else {
/* 父進程， 等待子進程結束，並列印子進程的返回值 */
wait ( &rtn );
printf( " child process return %d\n",. rtn );
}
}
}

此程序從終端讀入命令並執行之，執行完成後，父進程繼續等待從終端讀入命令。熟悉DOS和WINDOWS系統調用的朋友一定知道DOS/WINDOWS也有exec類函數，其使用方法是類似的，但DOS/WINDOWS還有spawn類函數，因為DOS是單任務的系統，它只能將"父進程"駐留在機器內再執行"子進程"，這就是spawn類的函數。WIN32已經是多任務的系統了，但還保留了spawn類函數，WIN32中實現spawn函數的方法同前述UNIX中的方法差不多，開設子進程後父進程等待子進程結束後才繼續運行。UNIX在其一開始就是多任務的系統，所以從核心角度上講不需要spawn類函數。
在這一節里，我們還要講講system（）和popen（）函數。system（）函數先調用fork（），然後再調用exec（）來執行用戶的登錄shell，通過它來查找可執行文件的命令並分析參數，最後它么使用wait（）函數族之一來等待子進程的結束。函數popen（）和函數system（）相似，不同的是它調用pipe（）函數創建一個管道，通過它來完成程序的標准輸入和標准輸出。這兩個函數是為那些不太勤快的程序員設計的，在效率和安全方面都有相當的缺陷，在可能的情況下，應該盡量避免。

2.3 Linux下的進程間通信
詳細的講述進程間通信在這里絕對是不可能的事情，而且筆者很難有信心說自己對這一部分內容的認識達到了什麼樣的地步，所以在這一節的開頭首先向大家推薦著名作者Richard Stevens的著名作品：《Advanced Programming in the UNIX Environment》，它的中文譯本《UNIX環境高級編程》已有機械工業出版社出版，原文精彩，譯文同樣地道，如果你的確對在Linux下編程有濃厚的興趣，那麼趕緊將這本書擺到你的書桌上或計算機旁邊來。說這么多實在是難抑心中的景仰之情，言歸正傳，在這一節里，我們將介紹進程間通信最最初步和最最簡單的一些知識和概念。
首先，進程間通信至少可以通過傳送打開文件來實現，不同的進程通過一個或多個文件來傳遞信息，事實上，在很多應用系統里，都使用了這種方法。但一般說來，進程間通信（IPC：InterProcess Communication）不包括這種似乎比較低級的通信方法。Unix系統中實現進程間通信的方法很多，而且不幸的是，極少方法能在所有的Unix系統中進行移植（唯一一種是半雙工的管道，這也是最原始的一種通信方式）。而Linux作為一種新興的操作系統，幾乎支持所有的Unix下常用的進程間通信方法：管道、消息隊列、共享內存、信號量、套介面等等。下面我們將逐一介紹。
2.3.1 管道
管道是進程間通信中最古老的方式，它包括無名管道和有名管道兩種，前者用於父進程和子進程間的通信，後者用於運行於同一台機器上的任意兩個進程間的通信。
無名管道由pipe（）函數創建：
#include <unistd.h>
int pipe(int filedis[2])；
參數filedis返回兩個文件描述符：filedes[0]為讀而打開，filedes[1]為寫而打開。filedes[1]的輸出是filedes[0]的輸入。下面的例子示範了如何在父進程和子進程間實現通信。

#define INPUT 0
#define OUTPUT 1

void main() {
int file_descriptors[2];
/*定義子進程號 */
pid_t pid;
char buf[256];
int returned_count;
/*創建無名管道*/
pipe(file_descriptors);
/*創建子進程*/
if((pid = fork()) == -1) {
printf("Error in fork\n");
exit(1);
}
/*執行子進程*/
if(pid == 0) {
printf("in the spawned (child) process...\n");
/*子進程向父進程寫數據，關閉管道的讀端*/
close(file_descriptors[INPUT]);
write(file_descriptors[OUTPUT], "test data", strlen("test data"));
exit(0);
} else {
/*執行父進程*/
printf("in the spawning (parent) process...\n");
/*父進程從管道讀取子進程寫的數據，關閉管道的寫端*/
close(file_descriptors[OUTPUT]);
returned_count = read(file_descriptors[INPUT], buf, sizeof(buf));
printf("%d bytes of data received from spawned process: %s\n",
returned_count, buf);
}
}
在Linux系統下，有名管道可由兩種方式創建：命令行方式mknod系統調用和函數mkfifo。下面的兩種途徑都在當前目錄下生成了一個名為myfifo的有名管道：
方式一：mkfifo("myfifo","rw");
方式二：mknod myfifo p
生成了有名管道後，就可以使用一般的文件I/O函數如open、close、read、write等來對它進行操作。下面即是一個簡單的例子，假設我們已經創建了一個名為myfifo的有名管道。
/* 進程一：讀有名管道*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
void main() {
FILE * in_file;
int count = 1;
char buf[80];
in_file = fopen("mypipe", "r");
if (in_file == NULL) {
printf("Error in fdopen.\n");
exit(1);
}
while ((count = fread(buf, 1, 80, in_file)) > 0)
printf("received from pipe: %s\n", buf);
fclose(in_file);
}
/* 進程二：寫有名管道*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
void main() {
FILE * out_file;
int count = 1;
char buf[80];
out_file = fopen("mypipe", "w");
if (out_file == NULL) {
printf("Error opening pipe.");
exit(1);
}
sprintf(buf,"this is test data for the named pipe example\n");
fwrite(buf, 1, 80, out_file);
fclose(out_file);
}

2.3.2 消息隊列
消息隊列用於運行於同一台機器上的進程間通信，它和管道很相似，事實上，它是一種正逐漸被淘汰的通信方式，我們可以用流管道或者套介面的方式來取代它，所以，我們對此方式也不再解釋，也建議讀者忽略這種方式。

2.3.3 共享內存
共享內存是運行在同一台機器上的進程間通信最快的方式，因為數據不需要在不同的進程間復制。通常由一個進程創建一塊共享內存區，其餘進程對這塊內存區進行讀寫。得到共享內存有兩種方式：映射/dev/mem設備和內存映像文件。前一種方式不給系統帶來額外的開銷，但在現實中並不常用，因為它控制存取的將是實際的物理內存，在Linux系統下，這只有通過限制Linux系統存取的內存才可以做到，這當然不太實際。常用的方式是通過shmXXX函數族來實現利用共享內存進行存儲的。
首先要用的函數是shmget，它獲得一個共享存儲標識符。
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, int size, int flag);
這個函數有點類似大家熟悉的malloc函數，系統按照請求分配size大小的內存用作共享內存。Linux系統內核中每個IPC結構都有的一個非負整數的標識符，這樣對一個消息隊列發送消息時只要引用標識符就可以了。這個標識符是內核由IPC結構的關鍵字得到的，這個關鍵字，就是上面第一個函數的key。數據類型key_t是在頭文件sys/types.h中定義的，它是一個長整形的數據。在我們後面的章節中，還會碰到這個關鍵字。
當共享內存創建後，其餘進程可以調用shmat（）將其連接到自身的地址空間中。
void *shmat(int shmid, void *addr, int flag);
shmid為shmget函數返回的共享存儲標識符，addr和flag參數決定了以什麼方式來確定連接的地址，函數的返回值即是該進程數據段所連接的實際地址，進程可以對此進程進行讀寫操作。
使用共享存儲來實現進程間通信的注意點是對數據存取的同步，必須確保當一個進程去讀取數據時，它所想要的數據已經寫好了。通常，信號量被要來實現對共享存儲數據存取的同步，另外，可以通過使用shmctl函數設置共享存儲內存的某些標志位如SHM_LOCK、SHM_UNLOCK等來實現。