多线程和多进程的区别(小结)

2011/12/28 14:12
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分类: linux 2009-06-19 09:33 14421人阅读 评论(16) 收藏 举报

很想写点关于多进程和多线程的东西,我确实很爱他们。但是每每想动手写点关于他们的东西,却总是求全心理作祟,始终动不了手。

今天终于下了决心,写点东西,以后可以再修修补补也无妨。

 

.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。

 

.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

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

 

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();

  

  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. }  
#include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <stdio.h> void print_exit() { printf("the exit pid:%d/n",getpid() ); } main () { pid_t pid; atexit( print_exit ); //注册该进程退出时的回调函数 pid=fork(); if (pid < 0) printf("error in fork!"); else if (pid == 0) printf("i am the child process, my process id is %d/n",getpid()); else { printf("i am the parent process, my process id is %d/n",getpid()); sleep(2); wait(); } }


 

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2,一次返回,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。

 

.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。

   

  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. }  
#include<stdio.h> #include<string.h> #include<stdlib.h> #include<unistd.h> #include<pthread.h> void* task1(void*); void* task2(void*); void usr(); int p1,p2; int main() { usr(); getchar(); return 1; } void usr() { pthread_t pid1, pid2; pthread_attr_t attr; void *p; int ret=0; pthread_attr_init(&attr); //初始化线程属性结构 pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); //设置attr结构为分离 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 pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE); pthread_create(&pid2, &attr, task2, NULL); //前台工作 ret=pthread_join(pid2, &p); //等待pid2返回,返回值赋给p printf("after pthread2:ret=%d,p=%d/n", ret,(int)p); } void* task1(void *arg1) { printf("task1/n"); //艰苦而无法预料的工作,设置为分离线程,任其自生自灭 pthread_exit( (void *)1); } void* task2(void *arg2) { int i=0; printf("thread2 begin./n"); //继续送外卖的工作 pthread_exit((void *)2); }


 

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。

 

  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. }  
#include<stdio.h> #include<string.h> #include<stdlib.h> #include<unistd.h> #include<pthread.h> void* task1(void *arg1) { printf("task1/n"); system("ls"); pthread_exit( (void *)1); } int main() { int ret=0; void *p; int p1=0; pthread_t pid1; pthread_create(&pid1, NULL, task1, NULL); ret=pthread_join(pid1, &p); printf("end main/n"); return 1; }


 

 

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。

具体的例子可以看看这篇文章。

 

http://www.cppblog.com/lymons/archive/2008/06/01/51836.aspx

 

 

 

End:暂时写到这吧,总结这东西,看来真不适合我写。有空了,想到什么了,再回来修修补补吧。

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