引言

基本概念

1. 进程（Process）

2. 线程（Thread）

线程编程实战

1. 常见线程库

2. 合理设置线程数

3. pthread 创建线程

线程同步机制

1. 互斥锁 pthread_mutex_t

2. 条件变量 pthread_cond_t

3. 读写锁 pthread_rwlock_t

进程的创建与控制

1. fork

2. exec

3. system

4. popen 管道读取输出

进程间通信 IPC 详解

1. 方式对比表：

2. 信号 signal

3. 共享内存 POSIX

总结

引言

本文深入探讨了 C 语言中多线程编程、进程间通信（IPC）机制的底层实现，涵盖线程同步、信号量、互斥锁、共享内存等关键知识，并通过实际任务案例带你走进操作系统世界中的“线程宇宙”

基本概念

1. 进程（Process）

程序的一次执行过程，是操作系统进行资源分配的最小单位。

一个程序至少有一个进程。
每个进程有自己的 地址空间、资源集合 和 执行上下文。

进程分类：

前台进程
后台进程
服务进程（如守护进程）

运行在服务器上一般都是守护进程。

2. 线程（Thread）

线程是进程中独立的执行单元，是程序执行的最小单位。

一个进程至少有一个主线程（main thread）。
多个线程共享该进程的地址空间和资源。
线程拥有自己的 栈空间 和 寄存器上下文。

线程编程实战

1. 常见线程库

POSIX Thread：pthread（C语言中最常用）
OpenMP：并行处理，适合 C/C++
C++11 std::thread（不在本文范围）

2. 合理设置线程数

// CPU 密集型：核心线程数 ≈ CPU数 + 1
// IO 密集型：核心线程数 ≈ ((线程等待时间 / 线程CPU时间) + 1) * CPU数

3. pthread 创建线程

#include <pthread.h>void *thread_func(void *arg) {printf("This is a new thread\n");return NULL;
}int main() {pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);pthread_join(tid, NULL);  // 等待线程结束return 0;
}

线程同步机制

线程同时访问共享资源时容易引发竞态条件，需进行同步。

1. 互斥锁 `pthread_mutex_t`

pthread_mutex_init
pthread_mutex_lock
pthread_mutex_unlock
pthread_mutex_destroy

2. 条件变量 `pthread_cond_t`

用于线程间等待与唤醒的机制。

pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t mutex;pthread_cond_init(&cond, NULL);
pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);     // 释放锁并阻塞
pthread_cond_signal(&cond);           // 唤醒一个线程
pthread_mutex_unlock(&mutex);

3. 读写锁 `pthread_rwlock_t`

适用于读多写少的场景。

pthread_rwlock_t rwlock;
pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);  // 读锁
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);  // 写锁
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

进程的创建与控制

`1. fork`

克隆当前进程，创建子进程。

pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {// 子进程
} else {// 父进程
}

`2. exec`

用新程序替换当前进程的映像。

execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);

`3. system`

执行 shell 命令，本质是 fork + exec 的封装。

system("ls -l");

`4. popen` 管道读取输出

进程间通信 IPC 详解

1. 方式对比表：

方式	特点	是否跨进程	是否阻塞	适用场景
管道	简单易用	是	是	父子进程
信号	异步通知机制	是	否	异常处理
信号量	原子性控制	是	是	多进程同步
共享内存	访问速度最快	是	否	大数据共享
消息队列	异步通信	是	否	有序通信
套接字	网络/本地通信	是	是/否	客户端/服务端通信

2. 信号 `signal`

#include <signal.h>void handler(int sig) {printf("Caught signal %d\n", sig);
}int main() {signal(SIGINT, handler); // 注册 ctrl+C 的信号处理while (1) pause();
}

3. 共享内存 POSIX

#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>int fd = shm_open("/shm_name", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
ftruncate(fd, 4096);
void *ptr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);// 写入共享内存
strcpy((char*)ptr, "Hello from shared memory");munmap(ptr, 4096);
close(fd);
shm_unlink("/shm_name");

总结

通过本文的学习，我们系统掌握了 C 语言中进程与线程的基本概念、线程创建与同步的编程方法，以及多种进程间通信（IPC）机制，包括信号、共享内存、信号量等。进程负责资源的独立管理，线程则提供更轻量级的并发执行方式；同步机制确保了多线程环境下数据的一致性，而 IPC 则使得多个进程间能够高效协作与通信。结合实际案例，我们不仅加深了对操作系统底层原理的理解，也提升了并发编程与系统开发的能力。对于从事系统编程、服务器开发或学习操作系统的同学，这些内容都是必不可少的核心知识。

更多代码可以观看：Niuer_C: C语言学习 0711-0721