[操作系统]进程

进程

进程、线程、协程的概念#

进程：是并发执行的程序在执行过程中分配和管理资源的基本单位，是一个动态概念，竞争计算机系统资源的基本单位。
线程：是进程的一个执行单元，是进程内的调度实体。比进程更小的独立运行的基本单位。线程也被称为轻量级进程。
协程：是一种比线程更加轻量级的存在。一个线程也可以拥有多个协程。其执行过程更类似于子例程，或者说不带返回值的函数调用。

进程间通信#

六种方式

管道/消息队列/信号/共享内存/socket/

管道
管道分为命名管道和无名管道，在内核中申请一块固定大小的缓冲区，程序拥有写入和读取的权利，都可以看成一种特殊的文件，具有固定的读端和写端，也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中；无名管道一般使用fork函数实现父子进程的通信，命名管道用于没有血缘关系的进程也可以进程间通信；面向字节流、自带同步互斥机制、半双工，单向通信，两个管道实现双向通信。
消息队列
在内核中创建一队列，队列中每个元素是一个数据报，不同的进程可以通过句柄去访问这个队列；消息队列独立于发送与接收进程，可以通过顺序和消息类型读取，也可以fifo读取；消息队列可实现双向通信。
信号量
在内核中创建一个信号量集合（本质是个数组），数组的元素（信号量）都是1，使用P操作进行-1，使用V操作+1，通过对临界资源进行保护实现多进程的同步
共享内存
将同一块物理内存一块映射到不同的进程的虚拟地址空间中，实现不同进程间对同一资源的共享。目前最快的IPC形式，不用从用户态到内核态的频繁切换和拷贝数据，直接从内存中读取就可以，共享内存是临界资源，所以需要操作时必须要保证原子性。使用信号量或者互斥锁都可以。
socket
是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口，把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据。socket起源于UNIX，在Unix一切皆文件哲学的思想下，socket是一种”打开—读/写—关闭”模式的实现，服务器和客户端各自维护一个”文件”，在建立连接打开后，可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。是一种可以网间通信的方式。

管道通信#

匿名管道#

管道的四种情况
如果管道内部是空的并且写端没有关闭，此时读取条件不具备，读端会被阻塞，等待写入数据
如果管道内部被写满了并且读端没有关闭，此时写入条件不具备，写端会被阻塞，等待读端读取数据
如果管道一直在读，但是已经关闭了写端，此时读端read返回值会一直读到0，表示读到了文件末尾
如果管道一直在写，但是已经关闭了读端，此时OS会直接使用13号信号杀死进程，代表进程异常

管道的五种特征

匿名管道只能进行有血缘关系的进程之间进行通信，因为匿名管道是依靠子进程继承父进程的文件描述符表实现的（通常用于实现父子进程之间的通信）
管道内部自带进程的同步机制，多执行流执行代码时具有明显的顺序性，写入管道的数据直到被读取之前会保持在管道缓冲区中（如果缓冲区未满），而读取操作则会等待直到有数据可读，这种机制避免了同时读写导致的数据损坏问题
管道文件的生命周期是随进程的，当所有打开该文件的进程都退出后，该文件资源也会被释放
管道文件在进行通信时是面向字节流的，读与写的次数不是一一匹配的，数据没有明确的分割，一次拿多少数据都行
管道通信是一种特殊的半双工模式。半双工通信允许数据在两个方向上传输，但不能同时进行。这意味着在任何时候，数据只能在一个方向流动。一旦一方开始发送数据，另一方必须等待接收完毕后才能开始发送。全双工通信允许数据同时在两个方向上进行传输，无需等待。由于半双工模式是可以双向传输数据的，但是管道只能单向通信，所以是特殊的半双工模式

当一个进程以读和写的方式分别打开一个文件，由于打开方式的不同，就会创建两个struct file，每个文件都有自己的属性、数据、更重要的是存在内核级的文件缓冲区，两个struct file除了打开方式字段不同，其余信息都是相同的，所以操作系统不会将文件的信息在拷贝一份，两个struct file指向的文件信息是一份。当该进程创建子进程，子进程会继承父进程的文件描述符表，此时父子进程可以对同一个文件进行读取操作，该文件中的缓冲区就相当于一个共享资源，这个缓冲区也成为道，两个进程间就可以进行通信了

命名管道#

命名管道(named pipe)又被称为先进先出队列(FIFO)，是一种特殊的管道，存在于文件系统中。命名管道与管道非常类似，但是又有自身的显著特征：

命名管道可以用于任何两个进程间的通信，而不限于同源的两个进程。
命名管道作为一种特殊的文件存放在文件系统中，而不是像管道那样存放在内核中。
当进程对命名管道的使用结束后，命名管道依然存在于文件系统中，除非对其进行删除操作，否则该命名管道不会自行消失。
和管道一样，命名管道也只能用于数据的单向传输，如果要用命名管道实现两个进程间数据的双向传输，建议使用两个单向的命名管道。

当一个进程以读的方式打开一个文件，该进程会有自己的进程PCB和文件描述符表，同时会创建一个struct file
当另一个进程以写的方式也打开这个文件，该进程也会有自己的进程PCB、文件描述符表，并且也会创建一个struct file，但是由于这两个进程打开的文件是一样的，而struct file也就是打开文件的方式不同，所以两个struct file都是指向的同一份文件信息，也指向了同一个内核级文件缓冲区，那么这两个毫无关系的进程就指向了同一段空间，就可以进行通信了。

怎么确保两个进程打开的是同一个文件呢？---------文件的路径

进程和线程的区别#

根本区别
- 进程是操作系统（OS）资源分配（内存，文件，网络，设备）的基本单位，
- 线程是处理器（CPU）任务调度和执行的基本单位。
资源开销：
- 每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文）,程序之间的切换会有较大的开销；
- 线程可以看做轻量级的进程，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC),线程之间切换的开销小。
包含关系：
如果一个进程内有多个线程，则执行过程不是一条线的，而是多条线程共同完成的；
线程是进程的一部分，所行过程不是一条线的，而是多条线（线耗）其被称为轻权进程或者轻量级进程。
内存分配：
同一进程的线程共享本进程的空间和资源，而进程之间的地址空间和资源是相互独立的。
影响关系：
一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响，但是一个线程崩溃整个进程都死掉。所以多进程要比多线程健壮。
执行过程：
每个独立的进程有程序运行的入口、顺序执行序列和程序出口。但是线程不能独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制，两者均可并发执行。