进程管理和IPC

1.进程管理

1.fork作用

fork() 是 Unix/Linux 系统中最核心的系统调用之一，其核心作用是创建一个与当前进程（父进程）几乎完全相同的新进程（子进程），从而实现进程的 “复制式” 并发。
具体作用可从以下几个维度理解：

1.进程复制：创建 “镜像” 子进程
fork() 会生成一个新的子进程，子进程会复制父进程的大部分资源，包括：

代码段（执行的程序指令）、数据段（全局变量、静态变量）、堆、栈（函数调用栈、局部变量）；
文件描述符表（打开的文件、管道、网络套接字等）；
进程状态（如信号掩码、工作目录、环境变量等）。

现代系统通过 “写时复制（COW，Copy-On-Write）” 优化这一过程：初始时子进程并不实际复制内存，而是与父进程共享内存页；仅当子进程或父进程修改内存数据时，才会触发真正的内存复制（避免不必要的资源浪费）。

2.执行分流：父子进程独立运行
子进程创建后，会从 fork() 系统调用的下一条指令开始独立执行（而非从程序开头重新运行）。
通过 fork() 的返回值，父子进程可以区分自身身份并执行不同逻辑：

父进程中，fork() 返回子进程的 PID（进程 ID，正整数）；
子进程中，fork() 返回 0；
若创建失败（如系统进程数达上限），返回 -1。

2.vfork作用

vfork() 是 Unix/Linux 系统中用于创建子进程的系统调用，其设计初衷是为 “子进程创建后立即执行新程序（通过 exec 族函数）” 的场景提供极致高效的进程创建方式，核心作用是通过 “共享资源 + 阻塞父进程” 的机制，减少子进程创建到程序替换期间的资源开销。
具体作用与特性：
1.高效创建子进程（核心目标）
vfork() 的设计源于早期 Unix 系统中 fork() 的性能缺陷：早期 fork() 会完整复制父进程的地址空间（代码段、数据段、堆、栈等），而如果子进程创建后立即调用 exec 族函数（用新程序替换自身），这种复制会成为 “无效开销”（复制的内存马上被新程序覆盖）。

vfork() 通过完全共享父进程的地址空间（不复制内存），避免了这种无效开销，让子进程创建的时间和内存成本极低。

2.强制父进程阻塞（确保资源安全）
为了防止共享地址空间导致的冲突（父进程和子进程同时修改内存），vfork() 会强制父进程进入阻塞状态，直到子进程执行以下操作之一：

调用 exec 族函数（加载新程序，替换共享的地址空间，此时父子进程资源自然分离）；
调用 exit（子进程终止，释放共享资源）。

这种机制保证了子进程在使用共享资源期间，父进程不会干扰，避免内存数据混乱。

3.限定子进程行为（安全约束）
由于子进程与父进程共享地址空间，vfork() 对其子进程的行为有严格隐性约束：

子进程不能修改共享内存（如全局变量、堆数据），否则会直接破坏父进程的数据；
子进程不能从函数中返回（会导致父进程的栈被破坏），必须通过 exec 或 exit 结束。
适用场景（已逐步被淘汰）
vfork() 仅适用于子进程创建后立即调用 exec 族函数的场景（如早期 shell 执行命令时，创建子进程加载新命令程序）。

3.exec 族函数

exec 族函数的作用是用新程序替换当前进程的代码段、数据段、堆、栈（进程 ID 不变），常用于子进程创建后执行与父进程完全不同的程序。

4.子进程回收：wait 与 waitpid（避免僵尸进程）

僵尸进程仅占用内核中进程表项的少量空间（存储 PID、退出状态等元数据），不占用用户态内存或其他资源。其主要危害是大量积累时会耗尽进程表项，导致新进程无法创建。解决方式是确保父进程及时调用 wait()/waitpid() 回收子进程，或通过信号机制（如 SIGCHLD）处理子进程终止事件。

1.wait()：阻塞等待任意子进程终止

2.waitpid()：更灵活的子进程回收
wait 是 waitpid 的简化版，waitpid 支持指定等待的子进程、非阻塞等待等高级功能。

子进程退出与父进程的关系：若父进程先于子进程退出，子进程会被 init 进程（PID=1，或 systemd 等）收养，最终由 init 回收，避免成为 “孤儿僵尸进程”。

5.进程退出：exit 与 _exit 的核心差异

维度 exit(status)（库函数） _exit(status)（系统调用）
函数类型 C 标准库函数（封装了系统调用） 直接的系统调用（内核级接口）
核心行为 先执行用户态清理，再终止进程 直接终止进程，不执行用户态清理
标准 I/O 缓冲区 会刷新所有打开的标准 I/O 流（如 printf 缓冲区） 不刷新用户态缓冲区（仅内核缓冲区可能被刷新）
清理函数 执行 atexit/on_exit 注册的用户清理函数 不执行任何用户注册的清理函数
适用场景 正常退出用户程序，需确保资源完整释放 子进程退出（避免与父进程缓冲区冲突）或快速强制退出

exit 和 _exit 的核心差异在于是否执行用户态清理逻辑（清理函数 + 缓冲区刷新）。理解这一点的关键是：exit 是 “优雅退出”，确保用户态资源完整处理；_exit 是 “直接退出”，跳过用户态处理，仅内核级终止。在子进程中，优先使用 _exit 可避免与父进程的资源冲突。

进程分配的资源都会释放。进程在用户空间分配的内存（代码段、数据段、堆、栈）、打开的文件描述符（用户态视角的 FD 表项）等。

2.IPC

1.管道

管道是最基础的 IPC 机制，本质是内核维护的一个单向字节流缓冲区，适用于数据流式传递。

1.匿名管道（Anonymous Pipe）

特点：
仅用于亲缘进程（如父子、兄弟进程），通过 fork 继承文件描述符；
半双工（单向通信），需创建两个管道实现双向通信；
数据读完后自动删除，不持久化。

2.命名管道（Named Pipe/FIFO）

特点：
可用于非亲缘进程（通过文件系统路径标识）；
半双工，数据传递方式与匿名管道一致；
以特殊文件形式存在于文件系统（mkfifo 创建），但不占用磁盘空间（数据在内存中）。

2.信号（Signals）：异步事件通知

信号是操作系统向进程发送的异步事件通知（如中断、错误），用于简单的事件触发（不适合传递大量数据）。不支持自定义信号。

常见信号：
SIGINT（2）：Ctrl+C 触发，默认终止进程；
SIGCHLD（17）：子进程退出时，内核向父进程发送；
SIGKILL（9）：强制终止进程（无法被捕获或忽略）；
SIGSEGV（11）：段错误（非法内存访问）。

核心操作：

发送信号：kill(pid, sig)（向指定进程发信号）、raise(sig)（向自身发信号）；
处理信号：signal(sig, handler) 或 sigaction(sig, &act, NULL)（注册信号处理函数）。

新信号的处理规则
根据新信号是否被屏蔽，以及信号类型（标准 / 实时），处理逻辑不同：
1.新信号被屏蔽（包含两种情况）
情况 1：新信号是当前正在处理的信号（如处理 SIGINT 时又收到 SIGINT）：
内核会暂存该信号（实时信号）或直接丢弃（标准信号），不会打断当前处理函数。
标准信号（1-31 号）：不支持排队，多次发送同一信号会被合并，仅在屏蔽解除后处理一次；
实时信号（34-64 号）：支持排队，多次发送会按顺序保存，屏蔽解除后依次处理。
情况 2：新信号被主动加入屏蔽集（通过 sigaction 的 sa_mask）：
开发者可通过 sigaction 的 sa_mask 字段，在处理信号时主动屏蔽其他信号（避免嵌套处理）。例如，处理 SIGUSR1 时，可在 sa_mask 中加入 SIGUSR2，此时收到 SIGUSR2 会被暂存 / 排队，直到 SIGUSR1 处理完毕。

2.新信号未被屏蔽
若新信号不在屏蔽集中，内核会暂停当前的信号处理函数，先执行新信号的处理函数，执行完毕后再返回继续处理原信号。

这种 “嵌套处理” 可能导致逻辑混乱（如资源竞争），因此实际开发中通常会通过 sa_mask 屏蔽可能干扰的信号。

3.消息队列（Message Queues）：带类型的消息传递

消息带类型：每条消息包含一个整数类型（long mtype），接收方可以指定类型读取（如只接收类型为 1 的消息）。

异步通信：发送方发送消息后无需等待接收方处理，可立即返回；接收方可在需要时读取消息。

数据暂存：消息由内核保存，进程退出后消息不会丢失（除非显式删除），直到被读取或队列被删除。

有限制：单条消息大小（通常上限为 8KB）和队列总大小受内核参数限制（可通过 /proc/sys/kernel/msgmax 等配置）。

4.共享内存（Shared Memory）：高效数据共享

共享内存（Shared Memory）是效率最高的进程间通信（IPC）机制，其核心原理是让多个进程直接访问同一块内核管理的内存区域，避免了数据在用户态与内核态之间的拷贝（如管道、消息队列的数据传递都需要内核中转），因此特别适合高频、大量数据的交换场景（如视频处理、实时数据共享）。

一、核心特性
高效性：进程直接读写内存，无需内核中转，数据传输效率接近内存访问速度（远高于管道、消息队列）。

共享性：一块共享内存可映射到多个进程的地址空间，进程间数据实时可见。

无数据结构限制：内存内容由用户进程自主定义（可存储结构体、数组等任意数据），灵活度高。

需同步机制：内核不提供数据访问控制，多个进程同时读写可能导致数据混乱，需配合信号量、互斥锁等同步工具。

生命周期：由内核管理，进程退出后内存不会自动释放，需显式删除（否则重启前一直存在于内核中）。

5.信号量（Semaphores）：同步与互斥

信号量（Semaphores）是一种用于进程 / 线程同步与互斥的内核级工具，本质是一个受保护的整数计数器，通过原子操作（不可中断的操作）控制对共享资源的访问。其核心作用是：

互斥（Mutual Exclusion）：保证同一时间只有一个进程 / 线程访问共享资源（如共享内存、文件）；
同步（Synchronization）：协调多个进程 / 线程的执行顺序（如 “生产者 - 消费者” 模型中，确保生产者先生产，消费者后消费）。

P 操作 （sem_wait）请求资源：尝试获取资源使用权 若计数器 > 0：计数器 - 1，继续执行；
若计数器 = 0：阻塞等待，直到计数器 > 0。

V 操作 （sem_post）释放资源：归还资源使用权 计数器 + 1；若有进程阻塞等待，唤醒其中一个。

6.套接字（Sockets）：跨网络 / 本地通信

3.其他

•核心内容：
c.线程创建与管理：pthread 库（pthread_create/pthread_join/pthread_exit）、线程属性（分离态 PTHREAD_CREATE_DETACHED）；
d.线程同步与互斥：
▪互斥锁：pthread_mutex_t（初始化、加锁 / 解锁、销毁，避免死锁的原则：按序加锁、限时锁 pthread_mutex_trylock）；
▪条件变量：pthread_cond_t（配合互斥锁实现 “等待 - 唤醒”，解决 “忙等” 问题，如生产者 - 消费者模型）；
▪信号量（线程级）：sem_t（轻量级同步，可替代互斥锁 + 条件变量的组合场景）；
e.线程安全：全局变量 / 静态变量的保护、可重入函数（如 strtok_r 替代 strtok）。
•实践验证：实现一个 “线程池”（固定数量线程处理任务队列，练线程同步与任务调度）。

模块 4：文件 I/O 与 I/O 多路复用（高并发基础）
•核心内容：
i.基础文件 I/O：open/read/write/close（区别于标准 I/O 的 fopen/fread，无缓冲，直接调用系统调用）、文件描述符（FD）管理（dup/dup2 重定向，如标准输出重定向到文件）；
j.特殊文件 I/O：设备文件（字符设备 / 块设备）、管道（匿名管道用于父子进程，命名管道用于无亲缘关系进程）、套接字（Socket，网络 I/O 基础）；
k.I/O 多路复用：解决 “单线程处理多 FD” 的问题，对比掌握 ——
▪select：FD 数量限制（默认 1024）、效率随 FD 增多下降；
▪poll：无 FD 数量限制，但仍需遍历所有 FD；
▪epoll（Linux 特有）：事件驱动、高效（只处理就绪 FD），掌握 epoll_create/epoll_ctl/epoll_wait 及两种触发模式（LT/ET）。
•实践验证：用 epoll 实现一个并发 echo 服务器（支持多个客户端同时连接并回复消息）。