【无标题】Linux 应用软件编程笔记：多任务、线程、IPC进程通信

前言

本篇笔记整理 Linux 应用编程核心三大模块：多进程、多线程、IPC进程间通信，是嵌入式 Linux、后端 C 开发的高频考点与工程常用技术，包含原理、函数接口、区别对比，同时补充易踩坑细节，适合期末复习、面试复盘。

一、多任务

多任务：让程序具备并发处理多个任务的能力，Linux 实现方式分为：多进程、多线程

1.1 什么是进程

程序：存放在硬盘上的静态指令集合（ .c 编译后的可执行文件）
进程：正在运行的程序，加载进内存，占用内存、CPU 资源，拥有完整独立 0~4G 虚拟地址空间。

✅ 进程和程序核心区别

1.2 进程内存布局（0~4G虚拟空间）

分区 作用
内核空间（3G~4G） 操作系统内核代码、驱动、进程管理，所有进程共享
栈区（8M 默认） 局部变量、函数形参、函数返回地址，自动开辟释放
堆区 malloc/calloc/realloc 手动申请，必须手动 free 释放
.data段 初始化的全局变量、静态局部变量
.bss段 未初始化全局/静态变量，系统默认清零
文本区 代码指令、字符串常量，只读

💡 补充： fork() 创建子进程时，早期 Linux 使用完全拷贝，现代采用 写时拷贝（COW）：父子进程先共享内存，任意一方修改数据时才单独复制内存副本，节省内存开销。

1.3 进程调度

CPU 宏观并行、微观串行（并发）

• 并行：多核 CPU，多个任务同时执行
• 并发：单核 CPU，时间片轮转，快速切换任务，宏观看起来同时运行

常见调度算法：

1.4 进程状态

经典三态模型

就绪态 →（分配CPU）运行态 →（时间片用完 / 请求IO）阻塞态

• 就绪：万事俱备，只等待 CPU 时间片
• 运行：正在被 CPU 执行
• 阻塞：等待IO资源（ fgets 、 scanf ），主动放弃CPU

Linux 完整七状态

1.5 进程相关常用命令

bash

ps -aux # 查看所有进程，PID、状态、CPU/内存占用
ps -ef # 查看父子进程 PPID、PID
top # 实时监控进程资源占用
pstree -p # 树形查看父子进程关系
kill -9 PID # 强制杀死进程
kill -l # 查看所有信号
fg / bg # 前后台进程切换

1.6 进程核心函数

• 返回值：父进程返回子进程PID；子进程返回 0 ；失败返回 -1
• 作用：创建子进程，复制父进程用户空间，共享文件描述符

• exit() ：刷新缓冲区，调用退出处理函数
• _exit() ：直接退出，不刷新缓冲区

• wait() ：阻塞等待任意子进程结束，回收僵尸进程
• waitpid() ：灵活指定回收哪个子进程，支持非阻塞回收

1.7 僵尸进程 & 孤儿进程

1.8 exec 函数族

execl / execlp / execv / execvp

作用：在当前进程内部，替换文本段为新程序，PID不变，不创建新进程
常用场景：fork 创建子进程后，子进程调用 exec 执行外部程序

二、线程

2.1 线程基础概念

线程：轻量级进程，是 CPU任务调度的最小单位
线程隶属于进程，一个进程至少有1个主线程。
同一个进程内所有线程共享：堆区、全局变量、文件描述符、.data/.bss/文本段
每个线程私有独立栈区（默认8M）

2.2 进程 VS 线程 对比表

对比项 进程 线程
资源属性 资源分配最小单位 CPU调度最小单位
创建开销 大，完整拷贝虚拟内存 极小，仅分配独立栈
内存隔离 完全独立，互不干扰 共享大部分内存，栈私有
通信方式 必须依靠IPC机制 直接读写全局变量（需要互斥锁保护）
安全性 高，进程崩溃互不影响 低，一个线程崩溃，整个进程全部退出

2.3 线程核心函数

⚠️ 编译线程代码必须加链接库： gcc test.c -o test -pthread

c

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg);

参数：线程ID地址、属性(NULL默认)、任务函数指针、传给任务函数的参数
返回：成功0，失败错误码

• pthread_join(thread, &retval) ：阻塞等待线程结束，回收资源，默认非分离线程必须回收
• pthread_detach(tid) ：设置分离属性，线程结束后由操作系统自动回收，不需要join

2.4 线程同步与互斥

互斥（竞争临界资源，保证同一时间只有一个线程访问）

临界资源：多个线程都能访问的资源（全局变量、文件）
临界区：访问临界资源的代码片段

工具：互斥锁 pthread_mutex_t
接口： pthread_mutex_init / lock / unlock / destroy

同步（控制线程执行先后顺序）

工具：信号量 sem_t
sem_init 初始化、 sem_wait(P-1申请) 、 sem_post(V+1释放)

2.5 死锁

死锁：多个线程互相持有对方需要的锁，互相等待，永久阻塞
✅ 死锁四大必要条件：互斥、持有并等待、不可剥夺、循环等待
✅ 解决思路：

三、IPC 进程间通信机制

IPC：Inter Process Communication，进程之间交换数据的机制
进程内存相互独立，不能直接访问对方内存，必须借助内核提供的IPC通道

IPC 分类

3.1 无名管道 pipe

• 适用范围：有亲缘关系进程（父子、兄弟）
• 原理：内核缓冲区，FIFO先进先出，半双工（单向通信）
• 函数： int pipe(int pipefd[2]);
• pipefd[0]：读端 read
• pipefd[1]：写端 write
  ✅ 管道4个特性：

3.2 有名管道 FIFO mkfifo

• 适用范围：同一主机任意进程（无亲缘限制）
• 特点：存在文件系统的管道文件，数据依然存内核缓冲区，文件仅作为访问入口
• 使用流程： mkfifo() 创建管道文件 → open打开 → read/write读写 → close关闭

3.3 信号 signal

信号：异步软中断，不携带大数据，仅传递通知事件
常见信号：

核心接口：

补充：信号处理规则
信号默认动作：终止进程、忽略、暂停；信号可以自定义捕获处理函数

3.4 System V IPC

（1）消息队列

内核维护链表，可以按消息类型收发数据，支持优先级读取
流程： ftok() 获取key → msgget() 创建队列 → msgsnd() 发送 → msgrcv() 接收 → msgctl() 删除队列

（2）共享内存（速度最快IPC）

原理：多个进程映射同一块内核内存到各自用户空间，不需要数据拷贝

注意：共享内存本身不带同步互斥，必须手动搭配信号量/互斥锁防止竞争访问
流程： shmget 创建 → shmat 映射挂载 → 直接读写内存 → shmdt 卸载 → shmctl 删除

（3）信号量集

多用于进程之间同步互斥，和线程sem信号量作用类似，支持多组信号量管理

3.5 Socket 套接字

既可以本机进程通信，也支持跨主机网络通信（TCP/UDP），是使用最广泛的IPC，后续网络编程重点学习。

四、学习总结 & 工程使用建议

• 父子简单单向通信：无名管道 pipe
• 本机任意进程简单通信：有名管道 fifo
• 异步事件通知：信号 signal
• 大量数据高速传输：共享内存（搭配信号量）
• 按类型分发消息：消息队列
• 跨主机通信：socket TCP/UDP

后续拓展：结合本次 TCP 客户端/服务端代码，完成多线程服务端、管道聊天程序、共享内存传输图片等综合实战项目。