《嵌入式Linux應用編程（六）：并發編程基礎：多進程exec函數族及多線程基礎》

一、exec函數族

????????在一個進程里面執行另一個文件

? ? ? ? 本質：將文本區的指令代碼替換成exec要執行的指令

#include <unistd.h>

參數：path:要執行的可執行文件的路徑和名稱
arg:執行該可執行文件時需要傳遞的參數
NULL：參數傳遞結束標志
返回值：錯誤為1，正確不返回

int execlp(const char *file, const char *arg, .../* (char ?*) NULL */);

功能：從PATH指定的系統路徑下尋找該可執行文件

參數：file：需要執行的可執行文件的名稱（系統路徑下已有的文件）

?????????arg:執行該可執行文件時需要傳遞的參數

????????NULL：參數傳遞結束標志

int execle(const char *path, const char *arg, .../*, (char *) NULL, char * const envp[] */);

execle?函數允許自定義環境變量傳遞給新程序。參數?path?為可執行文件的完整路徑，arg?為參數列表，envp?是一個字符串數組，表示新的環境變量（格式為?"KEY=value"），以?NULL?結尾。

int execv(const char *path, char *const argv[]);

execv?與?execl?功能相同，但參數傳遞方式不同。execv?使用字符串數組?argv?傳遞參數（數組末尾需為?NULL），適合動態生成參數的場景。

int execvp(const char *file, char *const argv[]);

execvp?結合了?execv?和?execlp?的特點：從系統路徑查找可執行文件，并通過數組傳遞參數。參數?file?為文件名，argv?為參數數組（含命令自身）。

int execvpe(const char *file, char *const argv[],char *const envp[]);

execvpe?是?execvp?的擴展版本，支持自定義環境變量。參數?envp?為環境變量數組，格式與?execle?相同。非標準函數，需確保系統支持（如 GNU 擴展）。

代碼

#include <stdio.h>int main(void)
{printf("Hello World!\n");return 0;
}

編譯命令為gcc text.c -o hello

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>int main(int argc, char const *argv[])
{//execl("./hello", "./hello", NULL);//execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL);//execlp("ls", "ls", "-l", NULL);//char *arg[] = {"ls", "-l", NULL};//execv("/bin/ls", arg);// char *arg[] = {"ls", "-l", NULL};// execvp("ls", arg);return 0;
}

l：list ?列表
p：path ?路徑：系統路徑
v：vector 容器
e：env ?環境變量

二、system

system相當于調用了一次fork（），父進程等待子進程運行結束后，在進行運行

不調用system函數接口，實現system的功能

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int my_system(char *buff)
{char *arg[10] = {NULL};int i = 0;char cmd[512] = {0};strcpy(cmd, buff);arg[i] = strtok(cmd, " ");while (arg[i] != NULL){printf("arg[%d] = %s\n", i, arg[i]);i++;arg[i] = strtok(NULL, " ");}pid_t pid = fork();if (pid > 0){wait(NULL);}else if (0 == pid){execvp(arg[0], arg);}return 0;}int main(int argc, const char *argv[])
{printf("system : pid = %d\n", getpid());
//	system("./hello");my_system("ls -l");printf("After system\n");return 0;
}

三、線程

1.什么是線程

? ? ? ? 輕量級的線程，可實現多任務的并發。
進程是操作系統資源分配的最小單位；
線程是操作系統任務調度的最小單位。

2.線程的創建

????????線程由某個進程創建。

? ? ? ? 進程創建線程時，會為其分配獨立的8M的獨立的棧區空間

????????線程所在的進程，以及進程中的其他線程，共用進程的堆區、數據區、文本區。

3.線程的調度

? ? ? ? 宏觀并行，微觀串行

4.線程的消亡

? ? ? ? 1）線程退出

? ? ? ? 2）回收線程資源空間

5.進程和線程的區別

????????1）進程

????????資源消耗：

????????????????進程是操作系統資源分配的最小單位；

????????????????資源開銷大，每次創建都需要0-4G的虛擬空間

????????效率方面：

????????????????由操作系統創建，耗時比線程久；跨進程調度比跨線程慢

????????通信方面：

????????????????進程間不能之間通信，需要使用進程間通信機制（IPC）機制

????????安全性角度：

????????????????進程安全性比線程高，各進程空間獨立

????????2）線程

????????資源消耗：

????????????????線程是操作系統任務調度的最小單位。

????????????????資源開銷小，只需要所在進程為其開辟8M的棧區空間

????????效率方面：

????????????????????????由所在進程創建跨進程調度比跨線程調度慢:

????????通信方面:

????????????????????????通信簡單，可以使用線程共享的區域進行通信(比如全局變量)

????????安全性角度:

????????????????????????線程沒有進程安全，一個線程異常可能影響同一進程中所有線程

6.線程的相關編程

1）線程的創建

#include <pthread.h>int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg);

功能：

????????創建一個新線程

參數：

????????thread:保存線程ID的變量地址

????????attr:線程屬性的對象地址

????????NULL：按照默認屬性創建

?????????void *(*start_routine) (void *)：函數指針，函數名start_routine，指向線程啟動后要執行的任務（線程任務函數）

????????arg：為線程任務函數傳遞的參數

返回值：

????????成功：0

????????失敗：非0

????????pthread—self（）：獲取當前線程ID號

????????pthread_create是不是linux函數，編譯和鏈接時要加-lpthread

????????進程創建線程后，進程不能先退出，加sleep（）

2）線程調度；由操作系統調度

3）線程退出

? ? ? ? I.線程退出

????????????????void pthread_exit(void *retval);

????????????????功能:退出一個線程任務

????????????????參數:

????????????????????????retval:向回收的線程傳遞的參數的地址(NULL表示不傳遞參數）

? ? ? ? II.線程回收

????????????????int pthread_join(pthread t thread, void * *retval).

????????????????功能:回收線程資源空間

????????????????參數:
thread:要回收的線程ID

????????????????????????retvaf用來保存線程退出時傳遞的參數(NULL表示不傳遞參數）

? ? ? ????????? 返回值：

? ? ? ? ????????????????成功：0

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 失敗-1

? ? ? ? ? ? ? ??III：線程屬性

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.分離屬性：不需要被其他線程回收的線程稱為分離屬性得到線程，將來會被操作系統所回收

? ? ? ? ????????int pthread_detach(pthread_t thread);

? ? ? ????????? 功能：將線程設置為分離屬性的線程

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.非分離屬性：可以被其他線程回收或者結束的線程，稱為非分離屬性的線程（默認屬性：非分離屬性）

? ? ? ? ? ? ? ? IV：線程回收策略：

? ? ? ? ? ? ? ? 1.分離屬性的線程：不需要回收。（沒有空閑的線程可以幫忙回收時）

? ? ? ? ? ? ? ? 2.非分離屬性的線程：pthread_join()阻塞回收

7.線程間通信

? ? ? ? 全局變量通信

? ? ? ? 臨界資源：多個線程可以同時訪問的資源稱為臨界資源：比如，全局變量、共享內存區域等

? ? ? ? 如何解決資源競爭問題：

? ? ? ? ? ? ? ? 1）互斥機制：多個線程訪問臨界資源時，具有排他性訪問的機制（一次只允許一個線程對該臨界資源進行訪問）

? ? ? ? ? ? ? ? 互斥鎖->解決資源競爭問題。

? ? ? ? ? ? ? ? 步驟：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.創建互斥鎖：pthread_utex_t?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.初始化互斥鎖:pthread_mutex_init

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.加鎖:pthread_mutex_lock

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.解鎖：pthread_mutex_unlock

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5.銷毀鎖：pthread_mutex_destroy

int pthread mutex init(pthread mutex t *restrict mutex.const pthread mutexattr t*restrict attr)

????????功能:初始化互斥鎖

????????參數:mutex:鎖對象地址
attr:鎖的屬性(NULL:默認屬性)

????????返回值:成功：0

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?失敗：-1

 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

????????功能：加鎖

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

? ? ? ? 功能：解鎖

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

? ? ? ? 功能：銷毀鎖

四、線程相關代碼

1.創建線程

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
void *task(void *arg)
{printf("I am thread : tid = %ld\n", pthread_self());
}int main(int argc, char const *argv[])
{pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid, NULL, task, NULL);if(ret != 0){printf("pthread_create error\n");return -1;}sleep(2);return 0;
}

2.讓線程輸出一個學生的信息

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>struct stu
{int id;char name[20];
}Stu;void *task(void *arg)
{struct stu *student = (struct stu *)arg;  printf("%d\n%s\n", student->id, student->name);return NULL;
}int main(int argc, char const *argv[])
{pthread_t tid;struct stu s = {1,"wang"};int ret = pthread_create(&tid, NULL, task, &s);if(ret != 0){printf("pthread_create error\n");return -1;}sleep(1);return 0;
}

3.線程模擬無人機工作

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>void *task1(void *arg)
{ while(1){printf("主控模塊正在運行\n");pthread_exit(NULL);}
}void *task2(void *arg)
{ while(1){printf("控制模塊正在運行\n");pthread_exit(NULL);}
}void *task3(void *arg)
{ while(1){printf("圖像采集模塊正在運行\n");pthread_exit(NULL);}
}void *task4(void *arg)
{ while(1) {printf("圖像發送模塊正在運行\n");pthread_exit(NULL);}
}void *task5(void *arg)
{ while(1){printf("指令接收模塊正在運行\n");pthread_exit(NULL);}
}int main(int argc, char const *argv[])
{pthread_t tid1;pthread_t tid2;pthread_t tid3;pthread_t tid4;pthread_t tid5;int ret1,ret2,ret3,ret4,ret5;ret1 = pthread_create(&tid1, NULL, task1, NULL);ret2 = pthread_create(&tid2, NULL, task2, NULL);ret3 = pthread_create(&tid3, NULL, task3, NULL);ret4 = pthread_create(&tid4, NULL, task4, NULL);ret5 = pthread_create(&tid5, NULL, task5, NULL);if(0 != ret1 && 0 != ret2 && 0 != ret3 && 0 != ret4 && 0 != ret5){printf("pthread_create error\n");return -1;}sleep(1);pthread_join(tid1, NULL);pthread_join(tid2, NULL);pthread_join(tid3, NULL);pthread_join(tid4, NULL);pthread_join(tid5, NULL);return 0;
}

4.加互斥鎖解決資源競爭問題

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>int num_g = 0;
pthread_mutex_t mutex;void *task1(void *arg)
{for (int i = 0; i < 100000; i++){pthread_mutex_lock(&mutex);num_g = num_g+1;printf("num_g = %d\n", num_g);pthread_mutex_unlock(&mutex);}
}void *task2(void *arg)
{for (int i = 0; i < 100000; i++){pthread_mutex_lock(&mutex);num_g = num_g+1;printf("num_g = %d\n", num_g);pthread_mutex_unlock(&mutex);}}int main(int argc, const char *argv[])
{pthread_t tid[2];pthread_mutex_init(&mutex, NULL);pthread_create(&tid[0], NULL, task1, NULL);pthread_create(&tid[1], NULL, task2, NULL);pthread_join(tid[0], NULL);pthread_join(tid[1], NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
}