c++多进程编程

c++多进程编程

介绍

• 进程：进程是一个正在执行的程序，是向CPU申请资源的，进程之间数据相互独立，一个进程至少有一个线程。
• 线程：线程是进程中的单一的顺序控制流程也可以叫做最小控制单元，线程是进程中执行单元，开启一个线程比开启一个进程更加节省资源。
• 多线程：多线程是多任务处理的一种特殊形式，多任务处理允许让电脑同时运行两个或两个以上的程序。一般情况下，两种类型的多任务处理：基于进程和基于线程。
  多线程程序包含可以同时运行的两个或多个部分。这样的程序中的每个部分称为一个线程，每个线程定义了一个单独的执行路径。
• 基于进程的多任务处理是程序的并发执行。
• 基于线程的多任务处理是同一程序的片段的并发执行。

线程

线程的优点：

1、创建一个新线程的代价要比创建一个新进程小得多
2、与进程之间的切换相比，线程之间的切换需要操作系统做的工作要少很多
3、线程占用的资源要比进程少很多
4、能充分利用多处理器的可并行数量
5、在等待慢速I/O操作结束的同时，程序可执行其他的计算任务
6、计算密集型应用，为了能在多处理器系统上运行，将计算分解到多个线程中实现
7、I/O密集型应用，为了提高性能，将I/O操作重叠。线程可以同时等待不同的I/O操作。

线程的缺点

性能损失

一个很少被外部事件阻塞的计算密集型线程往往无法与共它线程共享同一个处理器。如果计算密集型线程的数量比可用的处理器多，那么可能会有较大的性能损失，这里的性能损失指的是增加了额外的同步和调度开销，而可用的资源不变。

健壮性降低

编写多线程需要更全面更深入的考虑，在一个多线程程序里，因时间分配上的细微偏差或者因共享了不该共享的变量而造成不良影响的可能性是很大的，换句话说线程之间是缺乏保护的。

缺乏访问控制

进程是访问控制的基本粒度，在一个线程中调用某些OS函数会对整个进程造成影响。

编程难度提高

编写与调试一个多线程程序比单线程程序困难得多。

创建线程

#include <pthread.h>
pthread_create (thread, attr, start_routine, arg) 

参数	描述
thread	指向线程标识符指针
attr	一个不透明的属性对象，可以被用来设置线程属性。您可以指定线程属性对象，也可以使用默认值 NULL
start_routine	线程运行函数起始地址，一旦线程被创建就会执行
arg	运行函数的参数。它必须通过把引用作为指针强制转换为 void 类型进行传递。如果没有传递参数，则使用 NULL

创建线程成功时，函数返回 0，若返回值不为 0 则说明创建线程失败。

终止线程

#include <pthread.h>
pthread_exit (status) 

在这里，pthread_exit 用于显式地退出一个线程。通常情况下，pthread_exit() 函数是在线程完成工作后无需继续存在时被调用。
如果 main() 是在它所创建的线程之前结束，并通过 pthread_exit() 退出，那么其他线程将继续执行。否则，它们将在 main() 结束时自动被终止。

程序示例

#include <iostream>
// 必须的头文件
#include <pthread.h>
using namespace std; 
#define NUM_THREADS 5 
// 线程的运行函数
void* say_hello(void* args)
{
    cout << "Hello Runoob！" << endl;
    return 0;
}
int main()
{
    // 定义线程的 id 变量，多个变量使用数组
    pthread_t tids[NUM_THREADS];
    for(int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i)
    {
        //参数依次是：创建的线程id，线程参数，调用的函数，传入的函数参数
        int ret = pthread_create(&tids[i], NULL, say_hello, NULL);
        if (ret != 0)
        {
           cout << "pthread_create error: error_code=" << ret << endl;
        }
    }
    //等各个线程退出后，进程才结束，否则进程强制结束了，线程可能还没反应过来；
    pthread_exit(NULL);
}

g++ test.cpp -lpthread -o test        #linux编译指令

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
using namespace std; 
#define NUM_THREADS     5
void *PrintHello(void *threadid)
{  
   // 对传入的参数进行强制类型转换，由无类型指针变为整形数指针，然后再读取
   int tid = *((int*)threadid);
   cout << "Hello Runoob! 线程 ID, " << tid << endl;
   pthread_exit(NULL);
}
int main ()
{
   pthread_t threads[NUM_THREADS];
   int indexes[NUM_THREADS];// 用数组来保存i的值
   int rc;
   int i;
   for( i=0; i < NUM_THREADS; i++ ){      
      cout << "main() : 创建线程, " << i << endl;
      indexes[i] = i; //先保存i的值
      // 传入的时候必须强制转换为void* 类型，即无类型指针        
      rc = pthread_create(&threads[i], NULL, 
                          PrintHello, (void *)&(indexes[i]));
      if (rc){
         cout << "Error:无法创建线程," << rc << endl;
         exit(-1);
      }
   }
   pthread_exit(NULL);
}
main() : 创建线程, 0
main() : 创建线程, 1
main() : 创建线程, 2
main() : 创建线程, 3
main() : 创建线程, Hello Runoob! 线程 ID, 0
4
Hello Runoob! 线程 ID, Hello Runoob! 线程 ID, 3
Hello Runoob! 线程 ID, 1
Hello Runoob! 线程 ID, 4
2

连接和分离线程

pthread_join (threadid, status) 
pthread_detach (threadid) 

pthread_join() 子程序阻碍调用程序，直到指定的 threadid 线程终止为止。当创建一个线程时，它的某个属性会定义它是否是可连接的（joinable）或可分离的（detached）。只有创建时定义为可连接的线程才可以被连接。如果线程创建时被定义为可分离的，则它永远也不能被连接。

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
 
using namespace std;
 
#define NUM_THREADS     5
 
void *wait(void *t)
{
   int i;
   long tid;
 
   tid = (long)t;
 
   sleep(1);
   cout << "Sleeping in thread " << endl;
   cout << "Thread with id : " << tid << "  ...exiting " << endl;
   pthread_exit(NULL);
}
 
int main ()
{
   int rc;
   int i;
   pthread_t threads[NUM_THREADS];
   pthread_attr_t attr;
   void *status;
   // 初始化并设置线程为可连接的（joinable）
   pthread_attr_init(&attr);
   pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);
   for( i=0; i < NUM_THREADS; i++ ){
      cout << "main() : creating thread, " << i << endl;
      rc = pthread_create(&threads[i], NULL, wait, (void *)&i );
      if (rc){
         cout << "Error:unable to create thread," << rc << endl;
         exit(-1);
      }
   } 
   // 删除属性，并等待其他线程
   pthread_attr_destroy(&attr);
   for( i=0; i < NUM_THREADS; i++ ){
      rc = pthread_join(threads[i], &status);
      if (rc){
         cout << "Error:unable to join," << rc << endl;
         exit(-1);
      }
      cout << "Main: completed thread id :" << i ;
      cout << "  exiting with status :" << status << endl;
   } 
   cout << "Main: program exiting." << endl;
   pthread_exit(NULL);
}

进程的三种基本状态：

（1） 就绪状态：进程已获得除CPU外的所有必要资源，只等待CPU时的状态。一个系统会将多个处于就绪状态的进程排成一个就绪队列。
（2） 执行状态：进程已获CPU，正在执行。单处理机系统中，处于执行状态的进程只一个；多处理机系统中，有多个处于执行状态的进程。
（3） 阻塞状态：正在执行的进程由于某种原因而暂时无法继续执行，便放弃处理机而处于暂停状态，即进程执行受阻。（这种状态又称等待状态或封锁状态）

进程的操作

创建进程有两种方式，一是由操作系统创建；二是由父进程创建。操作系统创建的进程，它们之间是平等的，一般不存在资源继承关系。而由父进程创建的进程（子进程），它们和父进程存在隶属关系。子进程又可以创建进程，形成一个进程家族。
fork（）函数调用后有2个返回值，调用一次，返回两次。成功调用fork函数后，当前进程实际上已经分裂为两个进程，一个是原来的父进程，另一个是刚刚创建的子进程。fork（）函数的2个返回值，一个是父进程调用fork函数后的返回值，该返回值是刚刚创建的子进程的ID；另一个是子进程中fork函数的返回值，该返回值是0。这样可以用返回值来区分父、子进程。

进程的编程示例

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
main()
{
    pid_t pid;
    char *msg;
    int k;
    pid=fork();
    switch(pid){
        //子进程执行部分
		case 0:
            msg="Child process is running.\n";
            k=3;
            break;
        case -1:
            perror("Process creation failed.\n");
            break;
        //父进程执行部分
		default:
            msg="Parent process is running.\n";
            k=5;
            break;
    }
	//父子进程共同执行部分
    while(k>0){
        puts(msg);
        sleep(1);
        k--;
    }
}
Parent process is running.
Child process is running.
Parent process is running.
Child process is running.
Parent process is running.
Child process is running.
Parent process is running.
Parent process is running.

注意事项

父子进程终止的先后顺序不同会产生不同的结果。

• 在子进程退出前父进程先退出，则系统会让init进程接管子进程。
• 当子进程先于父进程终止，而父进程又没有调用wait函数等待子进程结束，子进程进入僵尸状态，并且会一直保持下去除非系统重启。子进程处于僵尸状态时，内核只保存该进程的一些必要信息以备父进程所需。此时子进程始终占用着资源，同时也减少了系统可以创建的最大进程数。如果子进程先于父进程终止，且父进程调用了wait或waitpid函数，则父进程会等待子进程结束。
• 在Linux下，可以简单地将SIGCHLD信号的操作设为SIG_IGN，这样当子进程结束时就不会称为僵尸进程。