Linux下应用层进程、应用层线程和内核线程

前言

总结一下，应用层进程、应用层线程和内核线程的一些基本知识点、以及它们的通信方式、比较比较不同。
主要参考了两本书 《UNIX环境高级编程》、《Linux内核设计与实践》

一、应用层进程

1.ID

每个进程都有独一无二的进程ID，ID为0:调度进程，也叫交换进程，属于内核的一部分。ID为1:Init进程（自举过程中由内核调用，自举后启动一个UNIX内核），不会终止、会成为所有孤儿进程的父进程。

2.fork和vfork

fork和vfork都是创建一个新的子进程，会有两个返回值，返回值为0的是子进程、返回值不为0（子进程ID）的是父进程。其中vfork的主要目的就是创建一个新的进程执行新的程序（exec），并且它可以保证一定是子进程先运行，子进程要调用exec或者exit后，父进程才运行。如果子进程的运行对父进程有依赖，就有可能导致死锁。

3.一些特殊的进程/线程

①父进程运行完了，子进程还在-------> 孤儿进程
②父进程还在，子进程运行完了都是没有释放（父进程未收尸）------->僵尸进程。init进程会接手子进程，为他收尸。
③主线程推出了，子线程强制退出。

4.wait与waitpid

wait与waitpid用于父进程等待子进程，为他收尸（释放资源）。

5.exec函数族

调用一种exec函数时，该进程执行的程序会替换为新的程序。

6.进程间的通信（IPC）

①无名管道 pipe：（理论上半双工，创建两个就全双工了），只能在具有公共祖先的两个进程中使用（父进程fork前就需要pipe）。 int pipe(int fd[2]);… fd[0]为读通道、fd[1]为写通道。
popen、pclose：创建一个管道、fork一个进程、关闭未使用管道、执行shell命令，popen返回文件给父进程独或者写，用pclose关闭。

②有名管道 FIFO：不相关的进程也能够互相通信。其实就是创建了一个FIFO文件（当成普通文件即可），供所有进程一起使用。如果open的时候不加O_NONBLOCK，没数据时只读只写会阻塞，只读等只写，只写等只读。

XSI_IPC:③消息队列、④信号量、⑤共享内存，使用前都需要用ftok函数把一个路径名和id生成key_t供XSI_IPC使用。

③消息队列：与管道类似，多了一个管理队列。好处就是对每个消息可以指定消息类型，对于不同消息可以不按照队列顺序接收，可以根据自定义消息类型来接收置顶消息

④信号量：本质就是一个计数器，可以是二值信号量也可以计数信号量。为多个进程提供对共享数据的访问（同步、资源保护），原子操作。

⑤共享内存：映射一块内存，大家一起使用。为了更安全通信，往往与信号量来同步。内存映射（mmap，munmap），共享内存 shmget

⑥信号： 模拟中断机制、异步通信，分为可靠信号和不可靠信号，不可靠信号可能会丢失。对于信号的处理有三种：默认、自定义和忽略。

⑦socket：IP+端口，就是按着TCP SERVE:socket->bind->listen->accept->recv->close。 TCP CLIENT:socket->connect->send->close。来用就可以。

二、应用层线程

1.一些基本知识

①不同于内核线程，内核不知道应用层线程的存在。
②主线程退出，子线程都会退出。
③一个线程阻塞，会导致整个进程（包含其所有线程）都会阻塞。
④应用层的线程基于线程库实现，时间片分配的单元为进程，所以应用层线程执行的时间少。

2.常用函数

①pthread_equal 比较线程ID
②pthread_self 获取自身ID
③pthread_create 创建线程
④pthread_exit 退出线程
⑤pthread_join 等待某线程结束再运行
⑥pthread_cancel 取消线程

3.线程同步

①互斥量： 同一时间只能有一个线程获取互斥量（访问数据），访问数据前加锁，访问后解锁。
注意避免死锁：
死锁：两次加锁或者是两个线程互相拥有对方想拥有的锁
避免死锁：同一个线程对一个锁只能加一次、所有的锁都以相同的顺序来获取。

②读写锁： 一次只有一个线程能够占有写锁，可多个线程占有读锁。写锁被占用不能再被占有写锁或者读锁，读锁被占用不能被占用写锁，但是可以占用读锁。（读>写），但是读锁被占用，此时被占用写锁时，后面来的读锁请求都会被阻塞，等写锁释放后，后面的读锁请求才能响应，是为了读锁长期占用，导致写锁不能响应。

③条件变量：给多个线程提供一个会和的场合。如果某线程要等待某条件变为真，会很麻烦循环（加锁、检查、解锁、休眠）。 用条件变量一个线程只需等待条件改变后使用pthread_cond_signal或者pthread_cond_broadcast通知、另一个线程while检查条件并且pthread_cond_wait即可。条件变量要和互斥锁一起使用，互斥量对要检测的条件进行保护，条件变量的函数内部有加锁解锁机制。使用条件变量，减少了条件检查和线程进入休眠等待条件改变的时间。

④自旋锁：不是通过休眠是线程阻塞，而是在线程获取锁前一直忙等待。（cpu不能做其他事情）。自旋锁是一种低开销的锁，只适用于被持有时间段，不希望在调度上花时间的场景。（使用自旋锁，可以避免至少两次上下文切换）

⑤屏障：协调多个线程并行工作的同步机制，使每个线程等待，直到等待的线程数量达到一定的数量，然后所有等待线程一起运行。pthread_join就是一种屏障，允许一个线程等待另一个线程完成。屏障的等待函数pthread_barrier_wait在计数，不满足条件则等待，满足则唤醒所有等待的线程。

⑥信号量：与进程的信号量用法差不多。

⑦信号：与进程的也差不多，只是如何接收不同。

三、内核线程

1.一些基本知识

①内核线程切换由内核控制，切换时：用户态->内核态，切换完：内核态->用户态。
②由操作系统内核管理，内核是感知的。
③调度以线程为单位，所以可以很好利用SMP。（应用层的调度以进程为单位）。
④内核线程一般在驱动模块中实现，也可由其他内核线程创建。

2.常用函数

①kthread_create：创建内核线程。但是创建了后，不会马上运行，需要用wake_up_process来唤醒。
②kthread_run：创建并运行线程。
③kthread_stop：结束线程。

3.内核同步

①原子操作：指令以原子方式执行，不会被打断。但是只能对atomic_t类型进行操作。主要有原子整数运算（32位、64位）、原子位运算。

加锁时间不长并且不会有睡眠----->自旋锁
加锁时间长或者有可能出现睡眠----->信号量

②自旋锁：和之前的应用层的自旋锁差不多，一个线程试图获得已被占用的自旋锁，该线程会忙等待。
不是睡眠，所以可以用于中断上下文（带有睡眠的同步方式都不能用于中断上下文）。
使用自旋锁的临界代码执行的时候，不允许抢占和睡眠，否则，极易发生死锁（同一CPU的线程两次占用自旋锁）。
自旋锁不应该被长时间占有，适用短时间加锁。
自旋锁的实现：
（a）单CPU，不可抢占---->空操作
（b）单CPU，可抢占---->禁止抢占，未实现自旋
（c）多CPU，可抢占---->禁止抢占+自旋

③读写自旋锁：与应用层的读写锁差不多，但这里是基于自旋的，（读>写）。

④信号量：与应用层信号量用法差不多，一种睡眠锁，一个任务试图获得一个不可用的信号量时，信号量会将其推进一个队列，然后让其睡眠，cpu去执行其他任务。
信号量不能在中断上下文中使用，因为信号量可能会导致睡眠
并且使用信号量的时候不允许占有任何自旋锁，因为自旋锁不允许睡眠。
获取信号量时，down_interruptible和down是不同的。使用down_interruptible后，变为TASK_INTERRUPTIBLE状态，可被信号打断；使用down，变为TASK_UNINTERRUPTIBLE，不能被信号打断。

⑤读写信号量：与读写自旋锁差不多，只是这个是基于信号量，会睡眠。
downgrade_write可以把占有的写锁动态变为读锁。

⑥互斥体 mutex：简化版的二值信号量，实现互斥的特定睡眠锁。
上锁和解锁必须在同一上下文，也不能在中断上下文使用，除非mutex约束到使用者，否则优先使用mutex

⑦完成变量：一个任务发出信号通知另一个任务发生了某事件，同步两个任务，代替信号量的简单方法。适用于一个任务等待另一个任务完成某事，感觉就是初值为0的信号量，完成+1，和获取-1。

⑧大内核锁 BLK：以前使用的一个全局自旋锁（现在基本不用了），任务持有BLK锁，睡眠是安全的，可以多次获取一个锁，但只能用于进程上下文。占用BLK锁时睡眠会悄无声息的释放掉锁，重新调度则获取。如果要保护数据，就不能睡眠。

⑨顺序锁：用于读写共享数据（依靠序列计数器）
写入时：获取一个锁，序列值增加。
读取时：读取前读取后各取依次序列值，如果相同则表明读取没有被打断，数据有效；否则数据无效，需要重新读取。写>读，主要无其他写者，可以轻松写值，读者不影响写者。jiffies就使用了顺序锁。

①o 屏障：与应用层的屏障不同，他是为了保证代码的执行顺序，保证代码不会被优化而被打乱顺序。（编译器可能会优化代码从而打乱代码的顺序）。