嵌入式学习——进程与线程2

【Linux C学习笔记】进程、线程、线程同步、进程间通信总结

📖今日学习：进程状态、fork、wait/waitpid、exec函数族；线程pthread全套API；线程互斥锁、死锁；进程间通信：无名管道、有名管道、信号。

🔍文章大纲

进程基础回顾
fork创建子进程、写时复制COW
进程退出、僵尸进程、孤儿进程
进程回收 wait / waitpid
exec函数族，环境变量setenv
线程基础：进程与线程对比
POSIX线程API：pthread_create / pthread_exit / pthread_join
线程属性：分离属性
线程同步：互斥锁pthread_mutex
死锁产生四大条件与避免方法
进程间通信IPC：无名管道pipe、有名管道mkfifo
信号基础，signal信号捕捉
✨学习重点汇总
⚠️易错点&踩坑记录
📝今日学习小结

1. 进程基础回顾

程序：存放在磁盘上静态可执行文件。
进程：程序一次动态运行实例，拥有0~4G独立虚拟地址空间，由MMU映射到物理内存。
PID：进程唯一ID；PPID：父进程ID。

进程虚拟内存分区：

.text文本段：存放代码指令，只读
.rodata：字符串常量，只读
.data：已初始化全局/静态变量
.bss：未初始化全局、静态变量，程序启动自动置0
.stack栈区：局部变量、函数栈帧，函数退出自动回收
.heap堆区：malloc/free手动申请释放，程序员管理

进程6种状态：

状态	标记	说明
运行态	R	CPU正在运行
就绪态	R	资源就绪，等待CPU时间片
可中断睡眠	S	等待资源，可以被信号唤醒
不可中断睡眠	D	硬件IO等待，不能被信号唤醒
停止态	T	收到信号暂停运行
僵尸态	Z	子进程结束，PCB资源未被父进程回收

孤儿进程：父进程先退出，子进程被init/systemd收养，孤儿不会成为僵尸进程。

2. fork 创建子进程

复制代码

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

返回值

父进程返回：子进程PID（大于0）
子进程返回：0
出错返回：‑1

写时复制 COW（Copy‑On‑Write）

fork之后，父子进程一开始共享同一份物理内存页；
只有任意一方发生写操作的时候，才真正拷贝内存页面；读操作完全共享。
文件描述符会被复制，父子共享同一个文件偏移。

fork之后父子执行顺序完全由操作系统调度决定，代码不能假设谁先运行。

3. 进程退出

复制代码

#include <stdlib.h>
void exit(int status);    //库函数：刷新IO缓冲区，执行atexit钩子，再退出

#include <unistd.h>
void _exit(int status);   //系统调用：直接结束进程，**不刷新缓冲区**

status取值范围 0~255，退出状态，可以被父进程wait获取。
main函数内return n等价于exit(n)；普通函数return只是退出函数，不会结束整个进程。

4. 进程回收 wait / waitpid

wait --- 阻塞回收任意子进程

复制代码

pid_t wait(int *wstatus);

阻塞，直到任意一个子进程结束；
wstatus保存子进程退出状态，传NULL代表不关心状态。

状态解析宏：

复制代码

WIFEXITED(wstatus)   //非0：子进程正常退出
WEXITSTATUS(wstatus) //拿到子进程exit的退出码
WIFSIGNALED(wstatus)//非0：子进程被信号杀死
WTERMSIG(wstatus)   //获取杀死进程的信号编号

waitpid --- 指定PID回收，支持非阻塞

复制代码

pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

pid>0：回收指定pid子进程；pid=-1等价wait回收任意子进程
options：0阻塞；WNOHANG非阻塞 ，子进程未结束返回0，不会卡住程序。

wait / waitpid作用：回收子进程PCB，消除僵尸进程。

5. exec函数族

fork复制父进程地址空间；exec用来替换当前进程的地址空间，PID保持不变，加载执行全新程序。

复制代码

// l：列表传参；v：数组传参；p：搜索PATH；e：自定义环境变量
int execl(const char *path, const char *arg, ... , (char*)NULL);
int execlp(const char *file, const char *arg, ... , (char*)NULL);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);

exec调用成功之后，后面所有代码不会执行；只有失败才会返回‑1。

环境变量操作

复制代码

extern char **environ;  //全部环境变量
int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite);
// overwrite=1存在就覆盖；0存在则不修改

6. 线程基础

进程：操作系统资源分配最小单位 ；线程：CPU调度最小单位。

进程与线程对比

对比项	进程	线程
资源	拥有独立完整虚拟地址空间	共享进程text/data/bss/heap；每个线程拥有独立栈
切换开销	大，切换页表，刷新cache	很小，只切换寄存器、栈
隔离性	完全隔离，一个崩溃不影响别的进程	同进程任意线程崩溃 → 整个进程直接崩溃
通信	需要IPC进程间通信	直接读写全局变量，存在资源竞争

一个进程至少存在1个主线程(main线程)。

7. POSIX线程API

编译必须加 -pthread 链接线程库

复制代码

// 创建线程
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                   void *(*start_routine)(void *), void *arg);

// 线程退出
void pthread_exit(void *retval);

// 阻塞回收线程
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

pthread_create：attr传NULL使用默认属性；arg传给线程入口函数。
pthread_exit()：只结束当前线程；main函数调用pthread_exit(NULL)，主线程退出，子线程可以继续运行。
pthread_join()：阻塞等待线程结束，回收线程资源；不join会产生僵尸线程内存泄漏。

8. 线程分离属性 detach

分离状态的线程：线程退出后系统自动回收资源，不需要调用pthread_join。

pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);

9. 线程同步：互斥锁 mutex

多线程同时修改共享全局变量，产生资源竞争（竞态条件），需要互斥锁保护临界区。

复制代码

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  //初始化锁

pthread_mutex_lock(&mutex);    //加锁，拿不到锁阻塞
//临界区：访问共享资源
pthread_mutex_unlock(&mutex);  //解锁

pthread_mutex_destroy(&mutex); //销毁锁

10. 死锁

死锁产生4个必要条件（全部满足才会死锁）

互斥条件：资源同一时刻只允许一个线程占有
请求保持：线程占有部分资源，同时请求别的被占用资源
不可剥夺：已经占有的资源，别人不能强行抢走
循环等待：多个线程形成环路等待资源

避免死锁方案

保证多个锁加锁顺序统一
使用pthread_mutex_trylock()非阻塞尝试加锁，拿不到直接释放已有锁
减少锁粒度，尽量少同时持有多把锁

11. IPC进程间通信

无名管道 pipe

只支持**有亲缘关系进程（父子、兄弟进程）**通信；半双工，一端读一端写。

复制代码

int pipe(int pipefd[2]);
// pipefd[0]：读端；pipefd[1]：写端

管道行为特点：

管道无数据，读操作阻塞；管道写端全部关闭，read返回0（读到末尾）
管道写满，write阻塞；管道读端全部关闭，继续写会产生管道破裂SIGPIPE信号，进程直接终止。

有名管道 FIFO mkfifo

复制代码

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

可以用于任意两个进程通信，无关进程也可以使用；
必须读端、写端同时打开FIFO，否则open会阻塞等待另一端。

12. 信号 signal

信号是内核给应用程序的异步通知机制。

进程收到信号三种处理方式：

默认处理SIG_DFL
忽略信号SIG_IGN
捕捉信号，执行自定义信号处理函数

typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

SIGKILL(9)、SIGSTOP(19) 不能被忽略、不能被捕捉。

常用信号：

SIGINT：Ctrl + c
SIGQUIT：Ctrl + \
SIGTSTP：Ctrl + z
SIGPIPE：管道破裂
SIGALRM：闹钟定时信号
SIGCHLD：子进程退出信号

✨学习重点

进程虚拟内存分区：text / rodata / data / bss / stack / heap；栈自动回收，堆需要手动malloc/free。
fork写时复制COW；父子PID区分；父子调度顺序不确定。
僵尸进程：子结束父不回收PCB；孤儿进程被init收养不会僵尸；wait/waitpid回收消除僵尸。
exit()刷新缓冲区；_exit()直接退出，不刷新缓冲区。
exec替换进程地址空间，PID不变，成功后后续代码不执行。
进程是资源分配最小单位，线程是CPU调度最小单位；线程共享进程大部分资源，每个线程拥有独立栈；一个线程崩溃整个进程崩溃。
pthread库编译必须带‑pthread；pthread_join回收线程，否则僵尸线程内存泄漏。
多线程访问共享全局变量必须互斥锁保护临界区，防止竞态条件。
死锁四大必要条件，掌握避免死锁手段。
无名管道pipe：仅亲缘进程，半双工；有名管道mkfifo支持任意进程。
signal信号捕捉，SIGKILL、SIGSTOP无法捕捉忽略。

⚠️易错点汇总

fork之后不要想当然认为父进程一定先运行，调度顺序由操作系统决定。
区分exit()和_exit()，_exit()不会刷新stdout缓冲区，printf内容丢失。
wait会阻塞父进程；想要非阻塞回收必须使用waitpid(...,WNOHANG)。
exec执行成功之后，后面代码不会运行，exec后面只写错误处理。
线程易错：main函数写return 0会直接结束整个进程，所有子线程全部销毁 ；pthread_exit(NULL)只退出主线程，子线程继续运行。
编译pthread代码忘记加‑pthread，报未定义引用编译错误。
不调用pthread_join，线程结束资源不释放，产生僵尸线程内存泄露；可以设置分离属性避免join。
互斥锁忘记unlock；异常分支路径没有解锁，造成死锁。
死锁：多把锁加锁顺序不一致，极易触发死锁。
pipe管道：读端全部关闭还继续写，触发SIGPIPE信号，进程直接退出。
mkfifo有名管道open的时候，只有一端打开会阻塞，读写两端必须都存在。
信号：SIGKILL(9)、SIGSTOP(19)不能用signal忽略或者捕捉，写了也无效。

📝今日学习小结

今天学习Linux进程线程与基础IPC通信：

掌握进程完整生命周期：fork创建、exit退出、wait/waitpid回收；分清僵尸进程、孤儿进程产生条件；exec替换进程镜像。
线程是轻量级进程，共享进程资源，栈私有；学会pthread创建、退出、回收；理解线程资源竞争，使用互斥锁保护临界区，理解死锁四大条件。
IPC通信：无名管道适用于亲缘进程；有名管道FIFO支持任意进程；信号是内核异步通知，注意部分信号不能捕捉忽略。