[+补充]多进程及多线程

一.为何需要多进程（或者多线程），为何需要并发？

这个问题或许本身都不是个问题。但是对于没有接触过多进程编程的朋友来说，他们确实无法感受到并发的魅力以及必要性。

我想，只要你不是整天都写那种int main()到底的代码的人，那么或多或少你会遇到代码响应不够用的情况，也应该有尝过并发编程的甜头。就像一个快餐点的服务员，既要在前台接待客户点餐，又要接电话送外卖，没有分身术肯定会忙得你焦头烂额的。幸运的是确实有这么一种技术，让你可以像孙悟空一样分身，灵魂出窍，乐哉乐哉地轻松应付一切状况,这就是多进程/线程技术。并发技术，就是可以让你在同一时间同时执行多条任务的技术。你的代码将不仅仅是从上到下，从左到右这样规规矩矩的一条线执行。你可以一条线在main函数里跟你的客户交流，另一条线，你早就把你外卖送到了其他客户的手里。

 所以，为何需要并发？因为我们需要更强大的功能，提供更多的服务，所以并发，必不可少。

 二.多进程

什么是进程。最直观的就是一个个pid,官方的说法就：进程是程序在计算机上的一次执行活动。

说得简单点，下面这段代码执行的时候

[cpp] view plaincopyprint?

1. int main()  
2.   
3. {  
4.   
5. printf(”pid is %d/n”,getpid() );  
6.   
7. return 0;  
8.   
9. }  

 

进入main函数，这就是一个进程，进程pid会打印出来，然后运行到return，该函数就退出，然后由于该函数是该进程的唯一的一次执行，所以return后，该进程也会退出。

 

看看多进程。linux下创建子进程的调用是fork();

  

[cpp] view plaincopyprint?

1. #include <unistd.h>  
2. #include <sys/types.h>   
3. #include <stdio.h>  
4.   
5.    
6.   
7. void print_exit()  
8. {  
9.        printf("the exit pid:%d/n",getpid() );  
10. }  
11.   
12. main ()   
13. {   
14.    pid_t pid;   
15.    atexit( print_exit );      //注册该进程退出时的回调函数  
16.       pid=fork();   
17.         if (pid < 0)   
18.                 printf("error in fork!");   
19.         else if (pid == 0)   
20.                 printf("i am the child process, my process id is %d/n",getpid());   
21.         else   
22.         {  
23.                printf("i am the parent process, my process id is %d/n",getpid());   
24.               sleep(2);  
25.               wait();  
26.        }  
27.   
28. }  

i am the child process, my process id is 15806
the exit pid:15806
i am the parent process, my process id is 15805
the exit pid:15805

这是gcc测试下的运行结果。

 

关于fork函数，功能就是产生子进程，由于前面说过，进程就是执行的流程活动。

那么fork产生子进程的表现就是它会返回2次，一次返回0，顺序执行下面的代码。这是子进程。

一次返回子进程的pid，也顺序执行下面的代码，这是父进程。

（为何父进程需要获取子进程的pid呢？这个有很多原因，其中一个原因：看最后的wait，就知道父进程等待子进程的终结后，处理其task_struct结构，否则会产生僵尸进程,扯远了，有兴趣可以自己google）。

如果fork失败，会返回-1.

额外说下atexit( print_exit );需要的参数肯定是函数的调用地址。

这里的print_exit是函数名还是函数指针呢？答案是函数指针，函数名永远都只是一串无用的字符串。

某本书上的规则：函数名在用于非函数调用的时候，都等效于函数指针。

 

说到子进程只是一个额外的流程，那他跟父进程的联系和区别是什么呢？

我很想建议你看看linux内核的注解（有兴趣可以看看，那里才有本质上的了解），总之,fork后，子进程会复制父进程的task_struct结构，并为子进程的堆栈分配物理页。理论上来说，子进程应该完整地复制父进程的堆，栈以及数据空间，但是2者共享正文段。

关于写时复制：由于一般 fork后面都接着exec，所以，现在的  fork都在用写时复制的技术，顾名思意，就是，数据段，堆，栈，一开始并不复制，由父，子进程共享，并将这些内存设置为只读。直到父，子进程一方尝试写这些区域，则内核才为需要修改的那片内存拷贝副本。这样做可以提高 fork的效率。

 

三.多线程

线程是可执行代码的可分派单元。这个名称来源于“执行的线索”的概念。在基于线程的多任务的环境中，所有进程有至少一个线程，但是它们可以具有多个任务。这意味着单个程序可以并发执行两个或者多个任务。

 

简而言之，线程就是把一个进程分为很多片，每一片都可以是一个独立的流程。这已经明显不同于多进程了，进程是一个拷贝的流程，而线程只是把一条河流截成很多条小溪。它没有拷贝这些额外的开销，但是仅仅是现存的一条河流，就被多线程技术几乎无开销地转成很多条小流程，它的伟大就在于它少之又少的系统开销。（当然伟大的后面又引发了重入性等种种问题，这个后面慢慢比较）。

还是先看linux提供的多线程的系统调用：

 

int pthread_create(pthread_t *restrict tidp,
                   const pthread_attr_t *restrict attr,
                   void *(*start_rtn)(void),
                   void *restrict arg);

Returns: 0 if OK, error number on failure

第一个参数为指向线程标识符的指针。
第二个参数用来设置线程属性。
第三个参数是线程运行函数的起始地址。
最后一个参数是运行函数的参数。

   

[cpp] view plaincopyprint?

1. #include<stdio.h>  
2. #include<string.h>  
3. #include<stdlib.h>  
4. #include<unistd.h>  
5. #include<pthread.h>  
6.   
7.    
8. void* task1(void*);  
9. void* task2(void*);  
10.   
11.   
12. void usr();  
13. int p1,p2;  
14.   
15. int main()  
16. {  
17.     usr();  
18.     getchar();  
19.     return 1;  
20. }  
21.   
22.    
23.   
24. void usr()  
25. {  
26.        pthread_t pid1, pid2;  
27.     pthread_attr_t attr;  
28.        void *p;  
29.         int ret=0;  
30.        pthread_attr_init(&attr);         //初始化线程属性结构  
31.        pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);   //设置attr结构为分离  
32.        pthread_create(&pid1, &attr, task1, NULL);         //创建线程，返回线程号给pid1,线程属性设置为attr的属性，线程函数入口为task1，参数为NULL  
33.     pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);  
34. pthread_create(&pid2, &attr, task2, NULL);  
35. //前台工作  
36.   
37. ret=pthread_join(pid2, &p);         //等待pid2返回，返回值赋给p  
38.        printf("after pthread2:ret=%d,p=%d/n", ret,(int)p);            
39.   
40. }  
41.   
42. void* task1(void *arg1)  
43. {  
44. printf("task1/n");  
45. //艰苦而无法预料的工作，设置为分离线程，任其自生自灭  
46.     pthread_exit( (void *)1);  
47.   
48. }  
49.   
50. void* task2(void *arg2)  
51. {  
52.     int i=0;  
53.     printf("thread2 begin./n");  
54.     //继续送外卖的工作  
55.     pthread_exit((void *)2);  
56. }   

这个多线程的例子应该很明了了，主线程做自己的事情，生成2个子线程，task1为分离，任其自生自灭，而task2还是继续送外卖，需要等待返回。（因该还记得前面说过僵尸进程吧，线程也是需要等待的。如果不想等待，就设置线程为分离线程）

 额外的说下，linux下要编译使用线程的代码，一定要记得调用pthread库。如下编译：

 gcc -o pthrea -pthread  pthrea.c

 

四.比较以及注意事项

 

1.看完前面，应该对多进程和多线程有个直观的认识。如果总结多进程和多线程的区别，你肯定能说，前者开销大，后者开销较小。确实，这就是最基本的区别。

2.线程函数的可重入性：

说到函数的可重入，和线程安全，我偷懒了，引用网上的一些总结。

 线程安全：概念比较直观。一般说来，一个函数被称为线程安全的，当且仅当被多个并发线程反复调用时，它会一直产生正确的结果。

  可重入：概念基本没有比较正式的完整解释，但是它比线程安全要求更严格。根据经验，所谓“重入”，常见的情况是，程序执行到某个函数foo()时，收到信号，于是暂停目前正在执行的函数，转到信号处理函数，而这个信号处理函数的执行过程中，又恰恰也会进入到刚刚执行的函数foo()，这样便发生了所谓的重入。此时如果foo()能够正确的运行，而且处理完成后，之前暂停的foo()也能够正确运行，则说明它是可重入的。

线程安全的条件：

要确保函数线程安全，主要需要考虑的是线程之间的共享变量。属于同一进程的不同线程会共享进程内存空间中的全局区和堆，而私有的线程空间则主要包括栈和寄存器。因此，对于同一进程的不同线程来说，每个线程的局部变量都是私有的，而全局变量、局部静态变量、分配于堆的变量都是共享的。在对这些共享变量进行访问时，如果要保证线程安全，则必须通过加锁的方式。

可重入的判断条件：

要确保函数可重入，需满足一下几个条件：

1、不在函数内部使用静态或全局数据
2、不返回静态或全局数据，所有数据都由函数的调用者提供。
3、使用本地数据，或者通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据。
4、不调用不可重入函数。

 

可重入与线程安全并不等同，一般说来，可重入的函数一定是线程安全的，但反过来不一定成立。它们的关系可用下图来表示：

 

 

比如：strtok函数是既不可重入的，也不是线程安全的；加锁的strtok不是可重入的，但线程安全；而strtok_r既是可重入的，也是线程安全的。

 

如果我们的线程函数不是线程安全的，那在多线程调用的情况下，可能导致的后果是显而易见的——共享变量的值由于不同线程的访问，可能发生不可预料的变化，进而导致程序的错误，甚至崩溃。

 

3.关于IPC(进程间通信)

由于多进程要并发协调工作，进程间的同步，通信是在所难免的。

稍微列举一下linux常见的IPC.

linux下进程间通信的几种主要手段简介：

1. 管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；
2. 信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction（实际上，该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal函数）；
3. 报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
4. 共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。
5. 信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。
6. 套接口（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。

或许你会有疑问，那多线程间要通信，应该怎么做？前面已经说了，多数的多线程都是在同一个进程下的，它们共享该进程的全局变量，我们可以通过全局变量来实现线程间通信。如果是不同的进程下的2个线程间通信，直接参考进程间通信。

 

4.关于线程的堆栈

说一下线程自己的堆栈问题。

是的，生成子线程后，它会获取一部分该进程的堆栈空间，作为其名义上的独立的私有空间。（为何是名义上的呢？)由于，这些线程属于同一个进程，其他线程只要获取了你私有堆栈上某些数据的指针，其他线程便可以自由访问你的名义上的私有空间上的数据变量。（注：而多进程是不可以的，因为不同的进程，相同的虚拟地址，基本不可能映射到相同的物理地址）

 

 

5.在子线程里fork

 

看过好几次有人问，在子线程函数里调用system或者 fork为何出错，或者fork产生的子进程是完全复制父进程的吗？

我测试过，只要你的线程函数满足前面的要求，都是正常的。

 

[cpp] view plaincopyprint?

1. #include<stdio.h>  
2. #include<string.h>  
3. #include<stdlib.h>  
4. #include<unistd.h>  
5. #include<pthread.h>  
6.                                                                                                   
7. void* task1(void *arg1)  
8. {  
9.     printf("task1/n");  
10.     system("ls");  
11.     pthread_exit( (void *)1);  
12. }  
13.                                                                                                   
14. int main()  
15. {  
16.   int ret=0;  
17.   void *p;  
18.    int p1=0;  
19.    pthread_t pid1;  
20.     pthread_create(&pid1, NULL, task1, NULL);  
21.     ret=pthread_join(pid1, &p);  
22.      printf("end main/n");  
23.     return 1;  
24. }  

上面这段代码就可以正常得调用ls指令。

 不过，在同时调用多进程（子进程里也调用线程函数）和多线程的情况下，函数体内很有可能死锁。

准则3：多线程程序里不准使用fork

那看看实例吧.一执行下面的代码,在子进程的执行开始处调用doit()时,发生死锁的机率会很高.

 

 1void* doit(void*) {
 2
 3    static pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
 4
 5    pthread_mutex_lock(&mutex);
 6
 7    struct timespec ts = {10, 0};

           nanosleep(&ts, 0);   // 睡10秒
 9
10    pthread_mutex_unlock(&mutex);
11
12    return 0;
13
14}
15
16 
17
18int main(void) {
19
20pthread_t t;  
21
22pthread_create(&t, 0, doit, 0);  // 做成并启动子线程
25
26    if (fork() == 0) {
32       

               //子进程
33
34        //在子进程被创建的瞬间,父的子进程在执行nanosleep的场合比较多
35
36        doit(0); return 0;
37
38    }
39
40pthread_join(t, 0);  // 等待子线程结束
43
44}
45以下是说明死锁的理由：

1. 父进程的内存数据会原封不动的拷贝到子进程中    
2. 子进程在单线程状态下被生成

在内存区域里,静态变量*2mutex的内存会被拷贝到子进程里.而且,父进程里即使存在多个线程,但它们也不会被继承到子进程里. fork的这两个特征就是造成死锁的原因.
译者注: 死锁原因的详细解释 ---
    1. 线程里的doit()先执行.
    2. doit执行的时候会给互斥体变量mutex加锁.
    3. mutex变量的内容会原样拷贝到fork出来的子进程中(在此之前,mutex变量的内容已经被线程改写成锁定状态).
    4. 子进程再次调用doit的时候,在锁定互斥体mutex的时候会发现它已经被加锁,所以就一直等待,直到拥有该互斥体的进程释放它(实际上没有人拥有这个mutex锁).
    5. 线程的doit执行完成之前会把自己的mutex释放,但这是的mutex和子进程里的mutex已经是两份内存.所以即使释放了mutex锁也不会对子进程里的mutex造成什么影响.

1.    在fork前的父进程中,启动了线程1和2

2.    线程1调用doit函数

3.    doit函数锁定自己的mutex

4.    线程1执行nanosleep函数睡10秒

5.    在这儿程序处理切换到线程2

6.    线程2调用fork函数

7.    生成子进程

8.    这时,子进程的doit函数用的mutex处于”锁定状态”,而且,解除锁定的线程在子进程里不存在

9.    子进程的处理开始

10.子进程调用doit函数

11.子进程再次锁定已经是被锁定状态的mutex,然后就造成死锁

 

像这里的doit函数那样的,在多线程里因为fork而引起问题的函数,我们把它叫做”fork-unsafe函数”.反之,不能引起问题的函数叫做”fork-safe函数”.虽然在一些商用的UNIX里,源于OS提供的函数(系统调用),在文档里有fork-safety的记载,但是在Linux(glibc)里当然!不会被记载.即使在POSIX里也没有特别的规定,所以那些函数是fork-safe的,几乎不能判别.不明白的话,作为unsafe考虑的话会比较好一点吧.(2004/9/12追记)Wolfram Gloger说过,调用异步信号安全函数是规格标准,所以试着调查了一下,在pthread_atforkの这个地方里有” In the meantime, only a short list of async-signal-safe library routines are promised to be available.”这样的话.好像就是这样.

随便说一下,malloc函数就是一个维持自身固有mutex的典型例子,通常情况下它是fork-unsafe的.依赖于malloc函数的函数有很多,例如printf函数等,也是变成fork-unsafe的.

 

直到目前为止,已经写上了thread+fork是危险的,但是有一个特例需要告诉大家.”fork后马上调用exec的场合,是作为一个特列不会产生问题的”.什么原因呢..?exec函数*6一被调用,进程的”内存数据”就被临时重置成非常漂亮的状态.因此,即使在多线程状态的进程里,fork后不马上调用一切危险的函数,只是调用exec函数的话,子进程将不会产生任何的误动作.但是,请注意这里使用的”马上”这个词.即使exec前仅仅只是调用一回printf(“I’m child process”),也会有死锁的危险.
译者注:exec函数里指明的命令一被执行,改命令的内存映像就会覆盖父进程的内存空间.所以,父进程里的任何数据将不复存在.

规避方法1:做fork的时候,在它之前让其他的线程完全终止.

规避方法2:fork后在子进程中马上调用exec函数

规避方法3:”其他线程”中,不做fork-unsafe的处理

规避方法4:使用pthread_atfork函数,在即将fork之前调用事先准备的回调函数.

使用pthread_atfork函数,在即将fork之前调用事先准备的回调函数,在这个回调函数内,协商清除进程的内存数据.但是关于OS提供的函数(例:malloc),在回调函数里没有清除它的方法.因为malloc里使用的数据结构在外部是看不见的.因此,pthread_atfork函数几乎是没有什么实用价值的.

规避方法5:在多线程程序里,不使用fork

就是不使用fork的方法.即用pthread_create来代替fork.这跟规避策2一样都是比较实际的方法,值得推荐.

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java创建多线程的方法

package sz.zondy.com.core;
import java.lang.Thread;
class MyThread implements java.lang.Runnable
{
private int threadId;
private int intell;
public MyThread(int id,int intell)
{
this.threadId = id;
this.intell = intell;
}
@Override
public synchronized void run()
{
System.out.println("Thread ID: " + this.threadId + " : " + this.intell);
}
}

public class Test{
/**
* @param args
* @throws InterruptedException
*/
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
 int i = 1;
 new Thread(new MyThread(1,i)).start();
 i++;
 new Thread(new MyThread(2,i)).start();
 Thread.sleep(1);
 }
}

某次执行结果:（可能会先执行2）

Thread ID: 2 : 2
Thread ID: 1 : 1