目錄

引言

基本概念

1. 進程（Process）

2. 線程（Thread）

線程編程實戰

1. 常見線程庫

2. 合理設置線程數

3. pthread 創建線程

線程同步機制

1. 互斥鎖 pthread_mutex_t

2. 條件變量 pthread_cond_t

3. 讀寫鎖 pthread_rwlock_t

進程的創建與控制

1. fork

2. exec

3. system

4. popen 管道讀取輸出

進程間通信 IPC 詳解

1. 方式對比表：

2. 信號 signal

3. 共享內存 POSIX

總結

---

引言

本文深入探討了 C 語言中多線程編程、進程間通信（IPC）機制的底層實現，涵蓋線程同步、信號量、互斥鎖、共享內存等關鍵知識，并通過實際任務案例帶你走進操作系統世界中的“線程宇宙”

基本概念

1. 進程（Process）

程序的一次執行過程，是操作系統進行資源分配的最小單位。

• 一個程序至少有一個進程。

• 每個進程有自己的 地址空間、資源集合 和 執行上下文。

進程分類：

• 前臺進程

• 后臺進程

• 服務進程（如守護進程）

運行在服務器上一般都是守護進程。

2. 線程（Thread）

線程是進程中獨立的執行單元，是程序執行的最小單位。

• 一個進程至少有一個主線程（main thread）。

• 多個線程共享該進程的地址空間和資源。

• 線程擁有自己的 棧空間 和 寄存器上下文。

線程編程實戰

1. 常見線程庫

• POSIX Thread：pthread（C語言中最常用）

• OpenMP：并行處理，適合 C/C++

• C++11 std::thread（不在本文范圍）

2. 合理設置線程數

// CPU 密集型：核心線程數 ≈ CPU數 + 1
// IO 密集型：核心線程數 ≈ ((線程等待時間 / 線程CPU時間) + 1) * CPU數

3. pthread 創建線程

#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);  // 等待線程結束return 0;
}

線程同步機制

線程同時訪問共享資源時容易引發競態條件，需進行同步。

1. 互斥鎖 pthread_mutex_t

• pthread_mutex_init

• pthread_mutex_lock

• pthread_mutex_unlock

• pthread_mutex_destroy

2. 條件變量 pthread_cond_t

用于線程間等待與喚醒的機制。

pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t mutex;pthread_cond_init(&cond, NULL);
pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);     // 釋放鎖并阻塞
pthread_cond_signal(&cond);           // 喚醒一個線程
pthread_mutex_unlock(&mutex);

3. 讀寫鎖 pthread_rwlock_t

適用于讀多寫少的場景。

pthread_rwlock_t rwlock;
pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);  // 讀鎖
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);  // 寫鎖
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

進程的創建與控制

1. fork

克隆當前進程，創建子進程。

pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {// 子進程
} else {// 父進程
}

2. exec

用新程序替換當前進程的映像。

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

3. system

執行 shell 命令，本質是 fork + exec 的封裝。

system("ls -l");

4. popen 管道讀取輸出

進程間通信 IPC 詳解

1. 方式對比表：

方式	特點	是否跨進程	是否阻塞	適用場景
管道	簡單易用	是	是	父子進程
信號	異步通知機制	是	否	異常處理
信號量	原子性控制	是	是	多進程同步
共享內存	訪問速度最快	是	否	大數據共享
消息隊列	異步通信	是	否	有序通信
套接字	網絡/本地通信	是	是/否	客戶端/服務端通信

2. 信號 signal

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

3. 共享內存 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);// 寫入共享內存
strcpy((char*)ptr, "Hello from shared memory");munmap(ptr, 4096);
close(fd);
shm_unlink("/shm_name");

總結

通過本文的學習，我們系統掌握了 C 語言中進程與線程的基本概念、線程創建與同步的編程方法，以及多種進程間通信（IPC）機制，包括信號、共享內存、信號量等。進程負責資源的獨立管理，線程則提供更輕量級的并發執行方式；同步機制確保了多線程環境下數據的一致性，而 IPC 則使得多個進程間能夠高效協作與通信。結合實際案例，我們不僅加深了對操作系統底層原理的理解，也提升了并發編程與系統開發的能力。對于從事系統編程、服務器開發或學習操作系統的同學，這些內容都是必不可少的核心知識。

更多代碼可以觀看：Niuer_C: C語言學習?0711-0721