linux消息队列多线程

① 如何看懂《linux多线程服务端编程

一：进程和线程
每个进程有自己独立的地址空间。“在同一个进程”还是“不在同一个进程”是系统功能划分的重要决策点。《Erlang程序设计》[ERL]把进程比喻为人：
每个人有自己的记忆（内存），人与人通过谈话（消息传递）来交流，谈话既可以是面谈（同一台服务器），也可以在电话里谈（不同的服务器，有网络通信）。面谈和电话谈的区别在于，面谈可以立即知道对方是否死了（crash,SIGCHLD），而电话谈只能通过周期性的心跳来判断对方是否还活着。
有了这些比喻，设计分布式系统时可以采取“角色扮演”，团队里的几个人各自扮演一个进程，人的角色由进程的代码决定（管登录的、管消息分发的、管买卖的等等）。每个人有自己的记忆，但不知道别人的记忆，要想知道别人的看法，只能通过交谈（暂不考虑共享内存这种IPC）。然后就可以思考：
·容错：万一有人突然死了
·扩容：新人中途加进来
·负载均衡：把甲的活儿挪给乙做
·退休：甲要修复bug，先别派新任务，等他做完手上的事情就把他重启
等等各种场景，十分便利。

线程的特点是共享地址空间，从而可以高效地共享数据。一台机器上的多个进程能高效地共享代码段(操作系统可以映射为同样的物理内存)，但不能共享数据。如果多个进程大量共享内存，等于是把多进程程序当成多线程来写，掩耳盗铃。
“多线程”的价值，我认为是为了更好地发挥多核处理器(multi-cores)的效能。在单核时代，多线程没有多大价值（个人想法：如果要完成的任务是CPU密集型的，那多线程没有优势，甚至因为线程切换的开销，多线程反而更慢；如果要完成的任务既有CPU计算，又有磁盘或网络IO，则使用多线程的好处是，当某个线程因为IO而阻塞时，OS可以调度其他线程执行，虽然效率确实要比任务的顺序执行效率要高，然而，这种类型的任务，可以通过单线程的”non-blocking IO+IO multiplexing”的模型（事件驱动）来提高效率，采用多线程的方式，带来的可能仅仅是编程上的简单而已）。Alan Cox说过：”A computer is a state machine.Threads are for people who can’t program state machines.”（计算机是一台状态机。线程是给那些不能编写状态机程序的人准备的）如果只有一块CPU、一个执行单元，那么确实如Alan Cox所说，按状态机的思路去写程序是最高效的。

二：单线程服务器的常用编程模型
据我了解，在高性能的网络程序中，使用得最为广泛的恐怕要数”non-blocking IO + IO multiplexing”这种模型，即Reactor模式。
在”non-blocking IO + IO multiplexing”这种模型中，程序的基本结构是一个事件循环（event loop），以事件驱动（event-driven）和事件回调的方式实现业务逻辑：
[cpp] view plain
//代码仅为示意，没有完整考虑各种情况
while(!done)
{
int timeout_ms = max(1000, getNextTimedCallback());
int retval = poll(fds, nfds, timeout_ms);
if (retval<0){
处理错误，回调用户的error handler
}else{
处理到期的timers,回调用户的timer handler
if(retval>0){
处理IO事件，回调用户的IO event handler
}
}
}

这里select(2)/poll(2)有伸缩性方面的不足（描述符过多时，效率较低），Linux下可替换为epoll(4)，其他操作系统也有对应的高性能替代品。
Reactor模型的优点很明显，编程不难，效率也不错。不仅可以用于读写socket，连接的建立(connect(2)/accept(2))，甚至DNS解析都可以用非阻塞方式进行，以提高并发度和吞吐量(throughput)，对于IO密集的应用是个不错的选择。lighttpd就是这样，它内部的fdevent结构十分精妙，值得学习。
基于事件驱动的编程模型也有其本质的缺点，它要求事件回调函数必须是非阻塞的。对于涉及网络IO的请求响应式协议，它容易割裂业务逻辑，使其散布于多个回调函数之中，相对不容易理解和维护。

三：多线程服务器的常用编程模型
大概有这么几种：
a：每个请求创建一个线程，使用阻塞式IO操作。在java 1.4引人NIO之前，这是Java网络编程的推荐做法。可惜伸缩性不佳（请求太多时，操作系统创建不了这许多线程）。
b：使用线程池，同样使用阻塞式IO操作。与第1种相比，这是提高性能的措施。
c：使用non-blocking IO + IO multiplexing。即Java NIO的方式。
d：Leader/Follower等高级模式。
在默认情况下，我会使用第3种，即non-blocking IO + one loop per thread模式来编写多线程C++网络服务程序。

1：one loop per thread
此种模型下，程序里的每个IO线程有一个event loop，用于处理读写和定时事件（无论周期性的还是单次的）。代码框架跟“单线程服务器的常用编程模型”一节中的一样。
libev的作者说：
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.

这种方式的好处是：
a：线程数目基本固定，可以在程序启动的时候设置，不会频繁创建与销毁。
b：可以很方便地在线程间调配负载。
c：IO事件发生的线程是固定的，同一个TCP连接不必考虑事件并发。

Event loop代表了线程的主循环，需要让哪个线程干活，就把timer或IO channel（如TCP连接）注册到哪个线程的loop里即可：对实时性有要求的connection可以单独用一个线程；数据量大的connection可以独占一个线程，并把数据处理任务分摊到另几个计算线程中（用线程池）；其他次要的辅助性connections可以共享一个线程。
比如，在dbproxy中，一个线程用于专门处理客户端发来的管理命令；一个线程用于处理客户端发来的MySQL命令，而与后端数据库通信执行该命令时，是将该任务分配给所有事件线程处理的。

对于non-trivial（有一定规模）的服务端程序，一般会采用non-blocking IO + IO multiplexing，每个connection/acceptor都会注册到某个event loop上，程序里有多个event loop，每个线程至多有一个event loop。
多线程程序对event loop提出了更高的要求，那就是“线程安全”。要允许一个线程往别的线程的loop里塞东西，这个loop必须得是线程安全的。
在dbproxy中，线程向其他线程分发任务，是通过管道和队列实现的。比如主线程accept到连接后，将表示该连接的结构放入队列，并向管道中写入一个字节。计算线程在自己的event loop中注册管道的读事件，一旦有数据可读，就尝试从队列中取任务。

2：线程池
不过，对于没有IO而光有计算任务的线程，使用event loop有点浪费。可以使用一种补充方案，即用blocking queue实现的任务队列：
[cpp] view plain
typedef boost::function<void()>Functor;
BlockingQueue<Functor> taskQueue; //线程安全的全局阻塞队列

//计算线程
void workerThread()
{
while (running) //running变量是个全局标志
{
Functor task = taskQueue.take(); //this blocks
task(); //在产品代码中需要考虑异常处理
}
}

// 创建容量（并发数）为N的线程池
int N = num_of_computing_threads;
for (int i = 0; i < N; ++i)
{
create_thread(&workerThread); //启动线程
}

//向任务队列中追加任务
Foo foo; //Foo有calc()成员函数
boost::function<void()> task = boost::bind(&Foo::calc，&foo);
taskQueue.post(task);

除了任务队列，还可以用BlockingQueue<T>实现数据的生产者消费者队列，即T是数据类型而非函数对象，queue的消费者从中拿到数据进行处理。其实本质上是一样的。

3：总结
总结而言，我推荐的C++多线程服务端编程模式为：one (event) loop per thread + thread pool：
event loop用作IO multiplexing，配合non-blockingIO和定时器；
thread pool用来做计算，具体可以是任务队列或生产者消费者队列。

以这种方式写服务器程序，需要一个优质的基于Reactor模式的网络库来支撑，muo正是这样的网络库。比如dbproxy使用的是libevent。
程序里具体用几个loop、线程池的大小等参数需要根据应用来设定，基本的原则是“阻抗匹配”（解释见下），使得CPU和IO都能高效地运作。所谓阻抗匹配原则：
如果池中线程在执行任务时，密集计算所占的时间比重为 P (0 < P <= 1)，而系统一共有 C 个 CPU，为了让这 C 个 CPU 跑满而又不过载，线程池大小的经验公式 T = C/P。（T 是个 hint，考虑到 P 值的估计不是很准确，T 的最佳值可以上下浮动 50%）
以后我再讲这个经验公式是怎么来的，先验证边界条件的正确性。
假设 C = 8，P = 1.0，线程池的任务完全是密集计算，那么T = 8。只要 8 个活动线程就能让 8 个 CPU 饱和，再多也没用，因为 CPU 资源已经耗光了。
假设 C = 8，P = 0.5，线程池的任务有一半是计算，有一半等在 IO 上，那么T = 16。考虑操作系统能灵活合理地调度 sleeping/writing/running 线程，那么大概 16 个“50%繁忙的线程”能让 8 个 CPU 忙个不停。启动更多的线程并不能提高吞吐量，反而因为增加上下文切换的开销而降低性能。
如果 P < 0.2，这个公式就不适用了，T 可以取一个固定值，比如 5*C。

另外，公式里的 C 不一定是 CPU 总数，可以是“分配给这项任务的 CPU 数目”，比如在 8 核机器上分出 4 个核来做一项任务，那么 C=4。

四：进程间通信只用TCP
Linux下进程间通信的方式有：匿名管道(pipe)、具名管道(FIFO)、POSIX消息队列、共享内存、信号(signals)，以及Socket。同步原语有互斥器(mutex)、条件变量(condition variable)、读写锁(reader-writer lock)、文件锁(record locking)、信号量(semaphore)等等。

进程间通信我首选Sockets（主要指TCP，我没有用过UDP，也不考虑Unix domain协议）。其好处在于：
可以跨主机，具有伸缩性。反正都是多进程了，如果一台机器的处理能力不够，很自然地就能用多台机器来处理。把进程分散到同一局域网的多台机器上，程序改改host:port配置就能继续用；
TCP sockets和pipe都是操作文件描述符，用来收发字节流，都可以read/write/fcntl/select/poll等。不同的是，TCP是双向的，Linux的pipe是单向的，进程间双向通信还得开两个文件描述符，不方便；而且进程要有父子关系才能用pipe，这些都限制了pipe的使用；
TCP port由一个进程独占，且进程退出时操作系统会自动回收文件描述符。因此即使程序意外退出，也不会给系统留下垃圾，程序重启之后能比较容易地恢复，而不需要重启操作系统（用跨进程的mutex就有这个风险）；而且，port是独占的，可以防止程序重复启动，后面那个进程抢不到port，自然就没法初始化了，避免造成意料之外的结果；
与其他IPC相比，TCP协议的一个天生的好处是“可记录、可重现”。tcpmp和Wireshark是解决两个进程间协议和状态争端的好帮手，也是性能（吞吐量、延迟）分析的利器。我们可以借此编写分布式程序的自动化回归测试。也可以用tcp之类的工具进行压力测试。TCP还能跨语言，服务端和客户端不必使用同一种语言。

分布式系统的软件设计和功能划分一般应该以“进程”为单位。从宏观上看，一个分布式系统是由运行在多台机器上的多个进程组成的，进程之间采用TCP长连接通信。
使用TCP长连接的好处有两点：一是容易定位分布式系统中的服务之间的依赖关系。只要在机器上运行netstat -tpna|grep <port>就能立刻列出用到某服务的客户端地址（Foreign Address列），然后在客户端的机器上用netstat或lsof命令找出是哪个进程发起的连接。TCP短连接和UDP则不具备这一特性。二是通过接收和发送队列的长度也较容易定位网络或程序故障。在正常运行的时候，netstat打印的Recv-Q和Send-Q都应该接近0，或者在0附近摆动。如果Recv-Q保持不变或持续增加，则通常意味着服务进程的处理速度变慢，可能发生了死锁或阻塞。如果Send-Q保持不变或持续增加，有可能是对方服务器太忙、来不及处理，也有可能是网络中间某个路由器或交换机故障造成丢包，甚至对方服务器掉线，这些因素都可能表现为数据发送不出去。通过持续监控Recv-Q和Send-Q就能及早预警性能或可用性故障。以下是服务端线程阻塞造成Recv-Q和客户端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 #服务端连接
tcp 0 132608 10.0.0.10:39748 10.0.0.10:2000 #客户端连接
tcp 0 52 10.0.0.10:22 10.0.0.4:55572

五：多线程服务器的适用场合
如果要在一台多核机器上提供一种服务或执行一个任务，可用的模式有：
a：运行一个单线程的进程；
b：运行一个多线程的进程；
c：运行多个单线程的进程；
d：运行多个多线程的进程；

考虑这样的场景：如果使用速率为50MB/s的数据压缩库，进程创建销毁的开销是800微秒，线程创建销毁的开销是50微秒。如何执行压缩任务？
如果要偶尔压缩1GB的文本文件，预计运行时间是20s，那么起一个进程去做是合理的，因为进程启动和销毁的开销远远小于实际任务的耗时。
如果要经常压缩500kB的文本数据，预计运行时间是10ms，那么每次都起进程 似乎有点浪费了，可以每次单独起一个线程去做。
如果要频繁压缩10kB的文本数据，预计运行时间是200微秒，那么每次起线程似 乎也很浪费，不如直接在当前线程搞定。也可以用一个线程池，每次把压缩任务交给线程池，避免阻塞当前线程（特别要避免阻塞IO线程）。
由此可见，多线程并不是万灵丹(silver bullet)。

1：必须使用单线程的场合
据我所知，有两种场合必须使用单线程：
a：程序可能会fork(2)；
实际编程中，应该保证只有单线程程序能进行fork(2)。多线程程序不是不能调用fork(2)，而是这么做会遇到很多麻烦：
fork一般不能在多线程程序中调用，因为Linux的fork只克隆当前线程的thread of control，不可隆其他线程。fork之后，除了当前线程之外，其他线程都消失了。
这就造成一种危险的局面。其他线程可能正好处于临界区之内，持有了某个锁，而它突然死亡，再也没有机会去解锁了。此时如果子进程试图再对同一个mutex加锁，就会立即死锁。因此，fork之后，子进程就相当于处于signal handler之中（因为不知道调用fork时，父进程中的线程此时正在调用什么函数，这和信号发生时的场景一样），你不能调用线程安全的函数（除非它是可重入的），而只能调用异步信号安全的函数。比如，fork之后，子进程不能调用：
malloc，因为malloc在访问全局状态时几乎肯定会加锁；
任何可能分配或释放内存的函数，比如snprintf；
任何Pthreads函数；
printf系列函数，因为其他线程可能恰好持有stdout/stderr的锁；
除了man 7 signal中明确列出的信号安全函数之外的任何函数。

因此，多线程中调用fork，唯一安全的做法是fork之后，立即调用exec执行另一个程序，彻底隔断子进程与父进程的联系。

在多线程环境中调用fork，产生子进程后。子进程内部只存在一个线程，也就是父进程中调用fork的线程的副本。
使用fork创建子进程时，子进程通过继承整个地址空间的副本，也从父进程那里继承了所有互斥量、读写锁和条件变量的状态。如果父进程中的某个线程占有锁，则子进程同样占有这些锁。问题是子进程并不包含占有锁的线程的副本，所以子进程没有办法知道它占有了哪些锁，并且需要释放哪些锁。
尽管Pthread提供了pthread_atfork函数试图绕过这样的问题，但是这回使得代码变得混乱。因此《Programming With Posix Threads》一书的作者说：”Avoid using fork in threaded code except where the child process will immediately exec a new program.”。

b：限制程序的CPU占用率；
这个很容易理解，比如在一个8核的服务器上，一个单线程程序即便发生busy-wait，占满1个core，其CPU使用率也只有12.5%，在这种最坏的情况下，系统还是有87.5%的计算资源可供其他服务进程使用。
因此对于一些辅助性的程序，如果它必须和主要服务进程运行在同一台机器的话，那么做成单线程的能避免过分抢夺系统的计算资源。

② 一个Linux多进程编程

1 引言
对于没有接触过Unix/Linux操作系统的人来说，fork是最难理解的概念之一：它执行一次却返回两个值。fork函数是Unix系统最杰出的成就之一，它是七十年代UNIX早期的开发者经过长期在理论和实践上的艰苦探索后取得的成果，一方面，它使操作系统在进程管理上付出了最小的代价，另一方面，又为程序员提供了一个简洁明了的多进程方法。与DOS和早期的Windows不同，Unix/Linux系统是真正实现多任务操作的系统，可以说，不使用多进程编程，就不能算是真正的Linux环境下编程。
多线程程序设计的概念早在六十年代就被提出，但直到八十年代中期，Unix系统中才引入多线程机制，如今，由于自身的许多优点，多线程编程已经得到了广泛的应用。
下面，我们将介绍在Linux下编写多进程和多线程程序的一些初步知识。

2 多进程编程
什么是一个进程？进程这个概念是针对系统而不是针对用户的，对用户来说，他面对的概念是程序。当用户敲入命令执行一个程序的时候，对系统而言，它将启动一个进程。但和程序不同的是，在这个进程中，系统可能需要再启动一个或多个进程来完成独立的多个任务。多进程编程的主要内容包括进程控制和进程间通信，在了解这些之前，我们先要简单知道进程的结构。

2.1 Linux下进程的结构
Linux下一个进程在内存里有三部分的数据，就是"代码段"、"堆栈段"和"数据段"。其实学过汇编语言的人一定知道，一般的CPU都有上述三种段寄存器，以方便操作系统的运行。这三个部分也是构成一个完整的执行序列的必要的部分。
"代码段"，顾名思义，就是存放了程序代码的数据，假如机器中有数个进程运行相同的一个程序，那么它们就可以使用相同的代码段。"堆栈段"存放的就是子程序的返回地址、子程序的参数以及程序的局部变量。而数据段则存放程序的全局变量，常数以及动态数据分配的数据空间（比如用malloc之类的函数取得的空间）。这其中有许多细节问题，这里限于篇幅就不多介绍了。系统如果同时运行数个相同的程序，它们之间就不能使用同一个堆栈段和数据段。

2.2 Linux下的进程控制
在传统的Unix环境下，有两个基本的操作用于创建和修改进程：函数fork( )用来创建一个新的进程，该进程几乎是当前进程的一个完全拷贝；函数族exec( )用来启动另外的进程以取代当前运行的进程。Linux的进程控制和传统的Unix进程控制基本一致，只在一些细节的地方有些区别，例如在Linux系统中调用vfork和fork完全相同，而在有些版本的Unix系统中，vfork调用有不同的功能。由于这些差别几乎不影响我们大多数的编程，在这里我们不予考虑。
2.2.1 fork( )
fork在英文中是"分叉"的意思。为什么取这个名字呢？因为一个进程在运行中，如果使用了fork，就产生了另一个进程，于是进程就"分叉"了，所以这个名字取得很形象。下面就看看如何具体使用fork，这段程序演示了使用fork的基本框架：

void main(){
int i;
if ( fork() == 0 ) {
/* 子进程程序 */
for ( i = 1; i <1000; i ++ ) printf("This is child process\n");
}
else {
/* 父进程程序*/
for ( i = 1; i <1000; i ++ ) printf("This is process process\n");
}
}
程序运行后，你就能看到屏幕上交替出现子进程与父进程各打印出的一千条信息了。如果程序还在运行中，你用ps命令就能看到系统中有两个它在运行了。
那么调用这个fork函数时发生了什么呢？fork函数启动一个新的进程，前面我们说过，这个进程几乎是当前进程的一个拷贝：子进程和父进程使用相同的代码段；子进程复制父进程的堆栈段和数据段。这样，父进程的所有数据都可以留给子进程，但是，子进程一旦开始运行，虽然它继承了父进程的一切数据，但实际上数据却已经分开，相互之间不再有影响了，也就是说，它们之间不再共享任何数据了。它们再要交互信息时，只有通过进程间通信来实现，这将是我们下面的内容。既然它们如此相象，系统如何来区分它们呢？这是由函数的返回值来决定的。对于父进程，fork函数返回了子程序的进程号，而对于子程序，fork函数则返回零。在操作系统中，我们用ps函数就可以看到不同的进程号，对父进程而言，它的进程号是由比它更低层的系统调用赋予的，而对于子进程而言，它的进程号即是fork函数对父进程的返回值。在程序设计中，父进程和子进程都要调用函数fork（）下面的代码，而我们就是利用fork（）函数对父子进程的不同返回值用if...else...语句来实现让父子进程完成不同的功能，正如我们上面举的例子一样。我们看到，上面例子执行时两条信息是交互无规则的打印出来的，这是父子进程独立执行的结果，虽然我们的代码似乎和串行的代码没有什么区别。
读者也许会问，如果一个大程序在运行中，它的数据段和堆栈都很大，一次fork就要复制一次，那么fork的系统开销不是很大吗？其实UNIX自有其解决的办法，大家知道，一般CPU都是以"页"为单位来分配内存空间的，每一个页都是实际物理内存的一个映像，象INTEL的CPU，其一页在通常情况下是4086字节大小，而无论是数据段还是堆栈段都是由许多"页"构成的，fork函数复制这两个段，只是"逻辑"上的，并非"物理"上的，也就是说，实际执行fork时，物理空间上两个进程的数据段和堆栈段都还是共享着的，当有一个进程写了某个数据时，这时两个进程之间的数据才有了区别，系统就将有区别的"页"从物理上也分开。系统在空间上的开销就可以达到最小。
下面演示一个足以"搞死"Linux的小程序，其源代码非常简单：
void main()
{
for( ; ; ) fork();
}
这个程序什么也不做，就是死循环地fork，其结果是程序不断产生进程，而这些进程又不断产生新的进程，很快，系统的进程就满了，系统就被这么多不断产生的进程"撑死了"。当然只要系统管理员预先给每个用户设置可运行的最大进程数，这个恶意的程序就完成不了企图了。
2.2.2 exec( )函数族
下面我们来看看一个进程如何来启动另一个程序的执行。在Linux中要使用exec函数族。系统调用execve（）对当前进程进行替换，替换者为一个指定的程序，其参数包括文件名（filename）、参数列表（argv）以及环境变量（envp）。exec函数族当然不止一个，但它们大致相同，在Linux中，它们分别是：execl，execlp，execle，execv，execve和execvp，下面我只以execlp为例，其它函数究竟与execlp有何区别，请通过manexec命令来了解它们的具体情况。
一个进程一旦调用exec类函数，它本身就"死亡"了，系统把代码段替换成新的程序的代码，废弃原有的数据段和堆栈段，并为新程序分配新的数据段与堆栈段，唯一留下的，就是进程号，也就是说，对系统而言，还是同一个进程，不过已经是另一个程序了。（不过exec类函数中有的还允许继承环境变量之类的信息。）
那么如果我的程序想启动另一程序的执行但自己仍想继续运行的话，怎么办呢？那就是结合fork与exec的使用。下面一段代码显示如何启动运行其它程序：

char command[256];
void main()
{
int rtn; /*子进程的返回数值*/
while(1) {
/* 从终端读取要执行的命令 */
printf( ">" );
fgets( command, 256, stdin );
command[strlen(command)-1] = 0;
if ( fork() == 0 ) {
/* 子进程执行此命令 */
execlp( command, command );
/* 如果exec函数返回，表明没有正常执行命令，打印错误信息*/
perror( command );
exit( errorno );
}
else {
/* 父进程， 等待子进程结束，并打印子进程的返回值 */
wait ( &rtn );
printf( " child process return %d\n",. rtn );
}
}
}

此程序从终端读入命令并执行之，执行完成后，父进程继续等待从终端读入命令。熟悉DOS和WINDOWS系统调用的朋友一定知道DOS/WINDOWS也有exec类函数，其使用方法是类似的，但DOS/WINDOWS还有spawn类函数，因为DOS是单任务的系统，它只能将"父进程"驻留在机器内再执行"子进程"，这就是spawn类的函数。WIN32已经是多任务的系统了，但还保留了spawn类函数，WIN32中实现spawn函数的方法同前述UNIX中的方法差不多，开设子进程后父进程等待子进程结束后才继续运行。UNIX在其一开始就是多任务的系统，所以从核心角度上讲不需要spawn类函数。
在这一节里，我们还要讲讲system（）和popen（）函数。system（）函数先调用fork（），然后再调用exec（）来执行用户的登录shell，通过它来查找可执行文件的命令并分析参数，最后它么使用wait（）函数族之一来等待子进程的结束。函数popen（）和函数system（）相似，不同的是它调用pipe（）函数创建一个管道，通过它来完成程序的标准输入和标准输出。这两个函数是为那些不太勤快的程序员设计的，在效率和安全方面都有相当的缺陷，在可能的情况下，应该尽量避免。

2.3 Linux下的进程间通信
详细的讲述进程间通信在这里绝对是不可能的事情，而且笔者很难有信心说自己对这一部分内容的认识达到了什么样的地步，所以在这一节的开头首先向大家推荐着名作者Richard Stevens的着名作品：《Advanced Programming in the UNIX Environment》，它的中文译本《UNIX环境高级编程》已有机械工业出版社出版，原文精彩，译文同样地道，如果你的确对在Linux下编程有浓厚的兴趣，那么赶紧将这本书摆到你的书桌上或计算机旁边来。说这么多实在是难抑心中的景仰之情，言归正传，在这一节里，我们将介绍进程间通信最最初步和最最简单的一些知识和概念。
首先，进程间通信至少可以通过传送打开文件来实现，不同的进程通过一个或多个文件来传递信息，事实上，在很多应用系统里，都使用了这种方法。但一般说来，进程间通信（IPC：InterProcess Communication）不包括这种似乎比较低级的通信方法。Unix系统中实现进程间通信的方法很多，而且不幸的是，极少方法能在所有的Unix系统中进行移植（唯一一种是半双工的管道，这也是最原始的一种通信方式）。而Linux作为一种新兴的操作系统，几乎支持所有的Unix下常用的进程间通信方法：管道、消息队列、共享内存、信号量、套接口等等。下面我们将逐一介绍。
2.3.1 管道
管道是进程间通信中最古老的方式，它包括无名管道和有名管道两种，前者用于父进程和子进程间的通信，后者用于运行于同一台机器上的任意两个进程间的通信。
无名管道由pipe（）函数创建：
#include <unistd.h>
int pipe(int filedis[2])；
参数filedis返回两个文件描述符：filedes[0]为读而打开，filedes[1]为写而打开。filedes[1]的输出是filedes[0]的输入。下面的例子示范了如何在父进程和子进程间实现通信。

#define INPUT 0
#define OUTPUT 1

void main() {
int file_descriptors[2];
/*定义子进程号 */
pid_t pid;
char buf[256];
int returned_count;
/*创建无名管道*/
pipe(file_descriptors);
/*创建子进程*/
if((pid = fork()) == -1) {
printf("Error in fork\n");
exit(1);
}
/*执行子进程*/
if(pid == 0) {
printf("in the spawned (child) process...\n");
/*子进程向父进程写数据，关闭管道的读端*/
close(file_descriptors[INPUT]);
write(file_descriptors[OUTPUT], "test data", strlen("test data"));
exit(0);
} else {
/*执行父进程*/
printf("in the spawning (parent) process...\n");
/*父进程从管道读取子进程写的数据，关闭管道的写端*/
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系统下，有名管道可由两种方式创建：命令行方式mknod系统调用和函数mkfifo。下面的两种途径都在当前目录下生成了一个名为myfifo的有名管道：
方式一：mkfifo("myfifo","rw");
方式二：mknod myfifo p
生成了有名管道后，就可以使用一般的文件I/O函数如open、close、read、write等来对它进行操作。下面即是一个简单的例子，假设我们已经创建了一个名为myfifo的有名管道。
/* 进程一：读有名管道*/
#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);
}
/* 进程二：写有名管道*/
#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 消息队列
消息队列用于运行于同一台机器上的进程间通信，它和管道很相似，事实上，它是一种正逐渐被淘汰的通信方式，我们可以用流管道或者套接口的方式来取代它，所以，我们对此方式也不再解释，也建议读者忽略这种方式。

2.3.3 共享内存
共享内存是运行在同一台机器上的进程间通信最快的方式，因为数据不需要在不同的进程间复制。通常由一个进程创建一块共享内存区，其余进程对这块内存区进行读写。得到共享内存有两种方式：映射/dev/mem设备和内存映像文件。前一种方式不给系统带来额外的开销，但在现实中并不常用，因为它控制存取的将是实际的物理内存，在Linux系统下，这只有通过限制Linux系统存取的内存才可以做到，这当然不太实际。常用的方式是通过shmXXX函数族来实现利用共享内存进行存储的。
首先要用的函数是shmget，它获得一个共享存储标识符。
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, int size, int flag);
这个函数有点类似大家熟悉的malloc函数，系统按照请求分配size大小的内存用作共享内存。Linux系统内核中每个IPC结构都有的一个非负整数的标识符，这样对一个消息队列发送消息时只要引用标识符就可以了。这个标识符是内核由IPC结构的关键字得到的，这个关键字，就是上面第一个函数的key。数据类型key_t是在头文件sys/types.h中定义的，它是一个长整形的数据。在我们后面的章节中，还会碰到这个关键字。
当共享内存创建后，其余进程可以调用shmat（）将其连接到自身的地址空间中。
void *shmat(int shmid, void *addr, int flag);
shmid为shmget函数返回的共享存储标识符，addr和flag参数决定了以什么方式来确定连接的地址，函数的返回值即是该进程数据段所连接的实际地址，进程可以对此进程进行读写操作。
使用共享存储来实现进程间通信的注意点是对数据存取的同步，必须确保当一个进程去读取数据时，它所想要的数据已经写好了。通常，信号量被要来实现对共享存储数据存取的同步，另外，可以通过使用shmctl函数设置共享存储内存的某些标志位如SHM_LOCK、SHM_UNLOCK等来实现。

③ 麻烦解释一下linux下进程和线程有什么区别和联系，linux下多线程和多进程通信的实现方法，请通俗解释

兄弟看到你这么高的分我就找了些资料：也算是对昨天学的知识总结一下吧
一、先说概念不管是windows还是linux下的进程和线程概念都是一样的，只是管理进程和线程的方式不一样，这个是前提，到时候你可别问我windows下进程和线程啊。这个涉及到操作系统原理。下面给你解答。
说道进程不得不提作业这个名词 ，我想兄弟你电脑里不会有一个程序吧对不？当你的系统启动完毕后你看看你的任务管理器里是不是有很多进程呢？那么多程序是怎么调如内存呢？能理解吗？这里要明白程序和进程的关系，程序是你磁盘上的一个文件，当你需要它时进入内存后才成为进程，好比QQ在磁盘上就是一个文件而已，只有进入了内存才成为进程，进程是活动的。QQ要扫描你文件啊，记录你聊天记录啊，偷偷上传个啥东西什么的你也不知道对不，他是活动的。这个能明白吗？
再看作业，这个作业可不是你写作业的那个作业啊。系统一看好家伙你个QQ那么大的家伙你想一下子进入内存啊？没门！慢慢来嘛，系统就把QQ程序分为好几块，这几块不能乱分的，要符合自然结构就是循环啦选择啦这样的结构，你把人家循环结构咔嚓截断了，怎么让人家QQ运行啊？这就是作业要一块一块的进入内存，同时要为作业产生JCB（JOB CONTROL BLOCK)作业控制块，你进入内存不能乱跑啊，要听系统的话，你要是进入系统自己的内存。框一下，内存不能读写 对话框就出来了，严重点直接蓝脸给你！你懂得。这是window下的，linux下直接给你报错！没事了就！所一系统通过jcb控制进程。JCB包含了进程号优先级好多内容，你打开你的windows任务管理器看看进程是不是有好多属性啊？那就是PCB（PRCESS，CONTROL BLOCK）同理作业也包含那些内容只是多少而已。下面写出进程特点：
1、进程是分配计算机资源最小的单位。你想啊人是要用程序干活的吧？你把程序调入内存成了就成了进程，所以说进程是分配资源的最小单位。你在linux下打开终端输入top命令看是不是有好多进程？
2、进程有操作系统为作业产生。有“父进程”产生“子进程”之间是父子关系，并可以继续向下产生“子进程”。还拿QQ来说，你双击QQ.exe。QQ启动了输入账号密码打开主界面了。这时候你要聊天，QQ进程赶紧产生个“儿子”说 “儿子你去陪主人聊天去吧。这样子进程产生了。突然你想看美女要传照片这时候那个”儿子“有”生“了一个”儿子“说”儿子“你去传照片。那个“儿子领到任务去传照片了。这时你想关了QQ，QQ提示你说”你还有个“儿子”和“孙子”还在干活呢你真要结束吗？你蒽了确定。QQ对他“儿子”（你聊天窗口）说：”儿子啊对不起了，主人要关闭我你也不能活啊“咔嚓一下”儿子“死了，儿子死之前对他儿子说：“儿子啊你爷爷不让我活了，你也别活了咔嚓孙子也死了。最后世界安静了。这就是进程的父子关系。能明白吗？记住：进程之活动在内存中。不能使用CPU，只管分配资源。
再说线程：线程也产生在内存中并且在内存中存在相当长的时间，但它的活动区域主要在CPU中，并且运行和灭亡都存在于CPU中，可以这么说，线程是程序中能被系统调度进入CPU中最小程序单位，它能直接使用进程分配的CPU的资源。
还拿QQ来说当你要传文件时QQ总要判断一下文件的扩展名吧，ok这时那个”儿子“赶紧对它爸爸说我需要一个线程判断扩展名QQ赶紧对一个管这个的线程说：”快点去CPU里计算下那个扩展名是什么然后向主人报告计算完了就“死了”消亡了，但是它的线程还在内存中！还等着你下一次传文件然后计算然后消亡！
线程之间是相互独立的。一个在CPU，一个在内存里还能有关系吗对不？CPU在每一个瞬间只能进入一个线程，当线程进入CPU时立即产生一个新的线程，新线程仍停留在内存中，就好比上面那个传文件还会等着你再传文件再计算扩展名。
线程相对线程是独立的，但它在内存中并不是独立的，这就好比你不开QQ能用QQ传输文件吗？它只存在与进程分配的资源中，也就是说计算扩展名这个线程只能停留在QQ这个进程中，不能跑到别的进程里！！相当于程序产生了新的进程和线程，进程向CPU申请资源，再有线程来使用，他们都是为程序服务的只是分工不同！
因为你没提问linux下是怎么管理进程和线程的所以我就不回答了，这个问题我建议你还是看看《笨兔兔的故事》里面讲到了linux是怎么管理进程和线程的。挺幽默的比我说得还好。
你第二个问题说实话我回答不了你！我想你现在连进程和线程还没理解第二个你更理解不了了你说对不？我猜的其实你用C/C++不管是在windows下编程还是在Linux下编程思想都是一样的对吧，如果你理解了在windows下线程间通信，在linux更没问题了！
参考资料：黑客手册2009合订本非安全第一二季244页，245页，328页，329页，398页，399页
浅谈操作系统原理 （一 二三）
ubuntu中文论坛 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多线程同步之消息队列有何特点

消息队列是消息的链表，存放在内核中并有消息队列标示符标示。
msgget用于创建一个新队列或打开一个现存的队列。msgsnd将新消息加入到消息队列中；每个
消息包括一个long型的type；和消息缓存；msgrcv用于从队列中取出消息；取消息很智能，不一定先进先出
①msgget，创建一个新队列或打开一个现有队列
#include
int msgget ( key_t key, int flag )；
//成功返回消息队列ID；错误返回-1
②msgsnd: 发送消息
#include
int msgsnd( int msgid, const void* ptr, size_t nbytes, int flag )
//成功返回0，错误返回-1
a:
flag可以指定为IPC_NOWAIT;
若消息队列已满，则msgsnd立即出错返回EABAIN；
若没指定IPC_NOWAIT； msgsnd会阻塞，直到消息队列有空间为止
③msgrcv: 读取消息：
ssize_t msgrcv( int msgid, void* ptr, size_t nbytes, long type, int flag );
a. type == 0; 返回消息队列中第一个消息，先进先出
b. type > 0
返回消息队列中类型为tpye的第一个消息
c. type < 0
返回消息队列中类型 <=
|type| 的数据；若这种消息有若干个，则取类型值最小的消息
消息队列创建步骤：
#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 什么是多线程，多进程

1、多线程：是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。具有多线程能力的计算机因有硬件支持而能够在同一时间执行多于一个线程，进而提升整体处理性能。具有这种能力的系统包括对称多处理机、多核心处理器以及芯片级多处理或同时多线程处理器。

在一个程序中，这些独立运行的程序片段叫作“线程”，利用它编程的概念就叫作“多线程处理”。具有多线程能力的计算机因有硬件支持而能够在同一时间执行多于一个线程，进而提升整体处理性能。

2、多进程：Windows 应用程序中消息有两种送出途径；直接和排队。Windows或某些运行的应用程序可直接发布消息给窗口过程，或者，消息可送到消息列象连续不断轮询消息队列的OS中当前执行的每个进程都 事件驱动程序不是由事件的顺序来控制，而是由事件的发生来控，而事件的发生是随机的、不确定的,这就允许程序的用户用各种合理的顺序来安排程序的流程。

(5)linux消息队列多线程扩展阅读：

多线程优点：

1、使用线程可以把占据时间长的程序中的任务放到后台去处理

2、用户界面可以更加吸引人，这样比如用户点击了一个按钮去触发某些事件的处理，可以弹出一个进度条来显示处理的进度

3、程序的运行速度可能加快

4、在一些等待的任务实现上如用户输入、文件读写和网络收发数据等，线程就比较有用了。在这种情况下可以释放一些珍贵的资源如内存占用等等。

5、多线程技术在IOS软件开发中也有举足轻重的位置。

参考资料来源：

网络-多线程

网络-多进程

⑥ 【求助】linux下的C语言多线程，怎样监视键盘上的输入

发所用语言为C..
一般的..要想学好嵌入式开发..就要两个都会..
如果只学linux，这个只是为以后从事linux服务器搭建，管理和维护等..差不多就是跟硬件打交道..
而嵌入式开发就相当于..在windows下用C，C++,C#，java等开发一样..只不过他的开发平台换成了linux...

如果想自学建议按照以下步骤：
学习步骤如下：

1、Linux 基础

安装Linux操作系统
Linux文件系统
Linux常用命令
Linux启动过程详解
熟悉Linux服务能够独立安装Linux操作系统
能够熟练使用Linux系统的基本命令
认识Linux系统的常用服务安装Linux操作系统
Linux基本命令实践
设置Linux环境变量
定制Linux的服务 Shell 编程基础使用vi编辑文件
使用Emacs编辑文件
使用其他编辑器

2、Shell 编程基础

Shell简介
认识后台程序
Bash编程熟悉Linux系统下的编辑环境
熟悉Linux下的各种Shell
熟练进行shell编程熟悉vi基本操作
熟悉Emacs的基本操作
比较不同shell的区别
编写一个测试服务器是否连通的shell脚本程序
编写一个查看进程是否存在的shell脚本程序
编写一个带有循环语句的shell脚本程序

3、Linux 下的 C 编程基础

linux C语言环境概述
Gcc使用方法
Gdb调试技术
Autoconf
Automake
Makefile
代码优化 熟悉Linux系统下的开发环境
熟悉Gcc编译器
熟悉Makefile规则编写Hello,World程序
使用 make命令编译程序
编写带有一个循环的程序
调试一个有问题的程序

4、嵌入式系统开发基础

嵌入式系统概述
交叉编译
配置TFTP服务
配置NFS服务
下载Bootloader和内核
嵌入式Linux应用软件开发流程
熟悉嵌入式系统概念以及开发流程
建立嵌入式系统开发环境制作cross_gcc工具链
编译并下载U-boot
编译并下载Linux内核
编译并下载Linux应用程序
嵌入式系统移植
Linux内核代码
平台相关代码分析
ARM平台介绍
平台移植的关键技术
移植Linux内核到 ARM平台 了解移植的概念
能够移植Linux内核移植Linux2.6内核到 ARM9开发板

5、嵌入式 Linux 下串口通信

串行I/O的基本概念
嵌入式Linux应用软件开发流程
Linux系统的文件和设备
与文件相关的系统调用
配置超级终端和MiniCOM 能够熟悉进行串口通信
熟悉文件I/O 编写串口通信程序
编写多串口通信程序

6、嵌入式系统中多进程程序设计

Linux系统进程概述
嵌入式系统的进程特点
进程操作
守护进程
相关的系统调用了解Linux系统中进程的概念
能够编写多进程程序编写多进程程序
编写一个守护进程程序
sleep系统调用任务管理、同步与通信 Linux任务概述
任务调度
管道
信号
共享内存
任务管理 API 了解Linux系统任务管理机制
熟悉进程间通信的几种方式
熟悉嵌入式Linux中的任务间同步与通信
编写一个简单的管道程序实现文件传输
编写一个使用共享内存的程序

7、嵌入式系统中多线程程序设计

线程的基础知识
多线程编程方法
线程应用中的同步问题了解线程的概念
能够编写简单的多线程程序编写一个多线程程序

8、嵌入式 Linux 网络编程

网络基础知识
嵌入式Linux中TCP/IP网络结构
socket 编程
常用 API函数
分析Ping命令的实现
基本UDP套接口编程
许可证管理
PPP协议
GPRS 了解嵌入式Linux网络体系结构
能够进行嵌入式Linux环境下的socket 编程
熟悉UDP协议、PPP协议
熟悉GPRS 使用socket 编写代理服务器
使用socket 编写路由器
编写许可证服务器
指出TCP和UDP的优缺点
编写一个web服务器
编写一个运行在 ARM平台的网络播放器

9、GUI 程序开发

GUI基础
嵌入式系统GUI类型
编译QT
进行QT开发熟悉嵌入式系统常用的GUI
能够进行QT编程使用QT编写“Hello，World”程序
调试一个加入信号/槽的实例
通过重载QWidget 类方法处理事件

10、Linux 字符设备驱动程序

设备驱动程序基础知识
Linux系统的模块
字符设备驱动分析
fs_operation结构
加载驱动程序了解设备驱动程序的概念
了解Linux字符设备驱动程序结构
能够编写字符设备驱动程序编写Skull驱动
编写键盘驱动
编写I/O驱动
分析一个看门狗驱动程序
对比Linux2.6内核与2.4内核中字符设备驱动的不同
Linux 块设备驱动程序块设备驱动程序工作原理
典型的块设备驱动程序分析
块设备的读写请求队列了解Linux块设备驱动程序结构
能够编写简单的块设备驱动程序比较字符设备与块设备的异同
编写MMC卡驱动程序
分析一个文件系统
对比Linux2.6内核与2.4内核中块设备驱动的不同

11、文件系统

虚拟文件系统
文件系统的建立
ramfs内存文件系统
proc文件系统
devfs 文件系统
MTD技术简介
MTD块设备初始化
MTD块设备的读写操作了解Linux系统的文件系统
了解嵌入式Linux的文件系统
了解MTD技术
能够编写简单的文件系统为 ARM9开发板添加 MTD支持
移植JFFS2文件系统
通过proc文件系统修改操作系统参数
分析romfs 文件系统源代码
创建一个cramfs 文件系统

望采纳：可是一个字一个字钱敲出来的..
另外,站长团上有产品团购,便宜有保证

⑦ linux是干什么的

Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，是一个基于POSIX和Unix的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。伴随着互联网的发展，Linux得到了来自全世界软件爱好者、组织、公司的支持。它除了在服务器操作系统方面保持着强劲的发展势头以外，在个人电脑、嵌入式系统上都有着长足的进步。使用者不仅可以直观地获取该操作系统的实现机制，而且可以根据自身的需要来修改完善这个操作系统，使其最大化地适应用户的需要。
Linux不仅系统性能稳定，而且是开源软件。其核心防火墙组件性能高效、配置简单，保证了系统的安全。在很多企业网络中，为了追求速度和安全，Linux操作系统不仅仅是被网络运维人员当作服务器使用，Linux既可以当作服务器，又可以当作网络防火墙是Linux的 一大亮点。
Linux与其他操作系统相比 ，具有开放源码、没有版权、技术社区用户多等特点 ，开放源码使得用户可以自由裁剪，灵活性高，功能强大，成本低。尤其系统中内嵌网络协议栈 ，经过适当的配置就可实现路由器的功能。这些特点使得Linux成为开发路由交换设备的理想开发平台。
现在网络设备一般都是linux操作系统，比如：软防火墙、软路由、软监控、云计算等，这些都是使用linux内核开发的。