linux消息隊列多線程

① 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。

② 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。

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 Linux多線程同步之消息隊列有何特點

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。
msgget用於創建一個新隊列或打開一個現存的隊列。msgsnd將新消息加入到消息隊列中；每個
消息包括一個long型的type；和消息緩存；msgrcv用於從隊列中取出消息；取消息很智能，不一定先進先出
①msgget，創建一個新隊列或打開一個現有隊列
#include
int msgget ( key_t key, int flag )；
//成功返回消息隊列ID；錯誤返回-1
②msgsnd: 發送消息
#include
int msgsnd( int msgid, const void* ptr, size_t nbytes, int flag )
//成功返回0，錯誤返回-1
a:
flag可以指定為IPC_NOWAIT;
若消息隊列已滿，則msgsnd立即出錯返回EABAIN；
若沒指定IPC_NOWAIT； msgsnd會阻塞，直到消息隊列有空間為止
③msgrcv: 讀取消息：
ssize_t msgrcv( int msgid, void* ptr, size_t nbytes, long type, int flag );
a. type == 0; 返回消息隊列中第一個消息，先進先出
b. type > 0
返回消息隊列中類型為tpye的第一個消息
c. type < 0
返回消息隊列中類型 <=
|type| 的數據；若這種消息有若干個，則取類型值最小的消息
消息隊列創建步驟：
#define
MSG_FILE "."
struct msgtype {
long mtype;
char buffer[BUFFER+1];
};
if((key=ftok(MSG_FILE,'a'))==-1)
{
fprintf(stderr,"Creat Key Error:%s\n", strerror(errno));
exit
(1);
}
if((msgid=msgget(key, IPC_CREAT | 0666/*PERM*/))==-1)
{
fprintf(stderr,"Creat Message
Error:%s\n", strerror(errno));
exit
(1);
}

⑤ 什麼是多線程，多進程

1、多線程：是指從軟體或者硬體上實現多個線程並發執行的技術。具有多線程能力的計算機因有硬體支持而能夠在同一時間執行多於一個線程，進而提升整體處理性能。具有這種能力的系統包括對稱多處理機、多核心處理器以及晶元級多處理或同時多線程處理器。

在一個程序中，這些獨立運行的程序片段叫作「線程」，利用它編程的概念就叫作「多線程處理」。具有多線程能力的計算機因有硬體支持而能夠在同一時間執行多於一個線程，進而提升整體處理性能。

2、多進程：Windows 應用程序中消息有兩種送出途徑；直接和排隊。Windows或某些運行的應用程序可直接發布消息給窗口過程，或者，消息可送到消息列象連續不斷輪詢消息隊列的OS中當前執行的每個進程都 事件驅動程序不是由事件的順序來控制，而是由事件的發生來控，而事件的發生是隨機的、不確定的,這就允許程序的用戶用各種合理的順序來安排程序的流程。

(5)linux消息隊列多線程擴展閱讀：

多線程優點：

1、使用線程可以把占據時間長的程序中的任務放到後台去處理

2、用戶界面可以更加吸引人，這樣比如用戶點擊了一個按鈕去觸發某些事件的處理，可以彈出一個進度條來顯示處理的進度

3、程序的運行速度可能加快

4、在一些等待的任務實現上如用戶輸入、文件讀寫和網路收發數據等，線程就比較有用了。在這種情況下可以釋放一些珍貴的資源如內存佔用等等。

5、多線程技術在IOS軟體開發中也有舉足輕重的位置。

參考資料來源：

網路-多線程

網路-多進程

⑥ 【求助】linux下的C語言多線程，怎樣監視鍵盤上的輸入

發所用語言為C..
一般的..要想學好嵌入式開發..就要兩個都會..
如果只學linux，這個只是為以後從事linux伺服器搭建，管理和維護等..差不多就是跟硬體打交道..
而嵌入式開發就相當於..在windows下用C，C++,C#，java等開發一樣..只不過他的開發平台換成了linux...

如果想自學建議按照以下步驟：
學習步驟如下：

1、Linux 基礎

安裝Linux操作系統
Linux文件系統
Linux常用命令
Linux啟動過程詳解
熟悉Linux服務能夠獨立安裝Linux操作系統
能夠熟練使用Linux系統的基本命令
認識Linux系統的常用服務安裝Linux操作系統
Linux基本命令實踐
設置Linux環境變數
定製Linux的服務 Shell 編程基礎使用vi編輯文件
使用Emacs編輯文件
使用其他編輯器

2、Shell 編程基礎

Shell簡介
認識後台程序
Bash編程熟悉Linux系統下的編輯環境
熟悉Linux下的各種Shell
熟練進行shell編程熟悉vi基本操作
熟悉Emacs的基本操作
比較不同shell的區別
編寫一個測試伺服器是否連通的shell腳本程序
編寫一個查看進程是否存在的shell腳本程序
編寫一個帶有循環語句的shell腳本程序

3、Linux 下的 C 編程基礎

linux C語言環境概述
Gcc使用方法
Gdb調試技術
Autoconf
Automake
Makefile
代碼優化 熟悉Linux系統下的開發環境
熟悉Gcc編譯器
熟悉Makefile規則編寫Hello,World程序
使用 make命令編譯程序
編寫帶有一個循環的程序
調試一個有問題的程序

4、嵌入式系統開發基礎

嵌入式系統概述
交叉編譯
配置TFTP服務
配置NFS服務
下載Bootloader和內核
嵌入式Linux應用軟體開發流程
熟悉嵌入式系統概念以及開發流程
建立嵌入式系統開發環境製作cross_gcc工具鏈
編譯並下載U-boot
編譯並下載Linux內核
編譯並下載Linux應用程序
嵌入式系統移植
Linux內核代碼
平台相關代碼分析
ARM平台介紹
平台移植的關鍵技術
移植Linux內核到 ARM平台 了解移植的概念
能夠移植Linux內核移植Linux2.6內核到 ARM9開發板

5、嵌入式 Linux 下串口通信

串列I/O的基本概念
嵌入式Linux應用軟體開發流程
Linux系統的文件和設備
與文件相關的系統調用
配置超級終端和MiniCOM 能夠熟悉進行串口通信
熟悉文件I/O 編寫串口通信程序
編寫多串口通信程序

6、嵌入式系統中多進程程序設計

Linux系統進程概述
嵌入式系統的進程特點
進程操作
守護進程
相關的系統調用了解Linux系統中進程的概念
能夠編寫多進程程序編寫多進程程序
編寫一個守護進程程序
sleep系統調用任務管理、同步與通信 Linux任務概述
任務調度
管道
信號
共享內存
任務管理 API 了解Linux系統任務管理機制
熟悉進程間通信的幾種方式
熟悉嵌入式Linux中的任務間同步與通信
編寫一個簡單的管道程序實現文件傳輸
編寫一個使用共享內存的程序

7、嵌入式系統中多線程程序設計

線程的基礎知識
多線程編程方法
線程應用中的同步問題了解線程的概念
能夠編寫簡單的多線程程序編寫一個多線程程序

8、嵌入式 Linux 網路編程

網路基礎知識
嵌入式Linux中TCP/IP網路結構
socket 編程
常用 API函數
分析Ping命令的實現
基本UDP套介面編程
許可證管理
PPP協議
GPRS 了解嵌入式Linux網路體系結構
能夠進行嵌入式Linux環境下的socket 編程
熟悉UDP協議、PPP協議
熟悉GPRS 使用socket 編寫代理伺服器
使用socket 編寫路由器
編寫許可證伺服器
指出TCP和UDP的優缺點
編寫一個web伺服器
編寫一個運行在 ARM平台的網路播放器

9、GUI 程序開發

GUI基礎
嵌入式系統GUI類型
編譯QT
進行QT開發熟悉嵌入式系統常用的GUI
能夠進行QT編程使用QT編寫「Hello，World」程序
調試一個加入信號/槽的實例
通過重載QWidget 類方法處理事件

10、Linux 字元設備驅動程序

設備驅動程序基礎知識
Linux系統的模塊
字元設備驅動分析
fs_operation結構
載入驅動程序了解設備驅動程序的概念
了解Linux字元設備驅動程序結構
能夠編寫字元設備驅動程序編寫Skull驅動
編寫鍵盤驅動
編寫I/O驅動
分析一個看門狗驅動程序
對比Linux2.6內核與2.4內核中字元設備驅動的不同
Linux 塊設備驅動程序塊設備驅動程序工作原理
典型的塊設備驅動程序分析
塊設備的讀寫請求隊列了解Linux塊設備驅動程序結構
能夠編寫簡單的塊設備驅動程序比較字元設備與塊設備的異同
編寫MMC卡驅動程序
分析一個文件系統
對比Linux2.6內核與2.4內核中塊設備驅動的不同

11、文件系統

虛擬文件系統
文件系統的建立
ramfs內存文件系統
proc文件系統
devfs 文件系統
MTD技術簡介
MTD塊設備初始化
MTD塊設備的讀寫操作了解Linux系統的文件系統
了解嵌入式Linux的文件系統
了解MTD技術
能夠編寫簡單的文件系統為 ARM9開發板添加 MTD支持
移植JFFS2文件系統
通過proc文件系統修改操作系統參數
分析romfs 文件系統源代碼
創建一個cramfs 文件系統

望採納：可是一個字一個字錢敲出來的..
另外,站長團上有產品團購,便宜有保證

⑦ linux是干什麼的

Linux是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統，是一個基於POSIX和Unix的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU的操作系統。伴隨著互聯網的發展，Linux得到了來自全世界軟體愛好者、組織、公司的支持。它除了在伺服器操作系統方面保持著強勁的發展勢頭以外，在個人電腦、嵌入式系統上都有著長足的進步。使用者不僅可以直觀地獲取該操作系統的實現機制，而且可以根據自身的需要來修改完善這個操作系統，使其最大化地適應用戶的需要。
Linux不僅系統性能穩定，而且是開源軟體。其核心防火牆組件性能高效、配置簡單，保證了系統的安全。在很多企業網路中，為了追求速度和安全，Linux操作系統不僅僅是被網路運維人員當作伺服器使用，Linux既可以當作伺服器，又可以當作網路防火牆是Linux的 一大亮點。
Linux與其他操作系統相比 ，具有開放源碼、沒有版權、技術社區用戶多等特點 ，開放源碼使得用戶可以自由裁剪，靈活性高，功能強大，成本低。尤其系統中內嵌網路協議棧 ，經過適當的配置就可實現路由器的功能。這些特點使得Linux成為開發路由交換設備的理想開發平台。
現在網路設備一般都是linux操作系統，比如：軟防火牆、軟路由、軟監控、雲計算等，這些都是使用linux內核開發的。