进程和线程的概念、区别及进程线程间通信

进程与线程的概念，以及为什么要有进程线程，其中有什么区别，他们各自又是怎么同步的?

1. 基本概念：

进程是对运行时程序的封装，是系统进行资源调度和分配的的基本单位，实现了操作系统的并发；

线程是进程的子任务，是CPU调度和分派的基本单位，用于保证程序的实时性，实现进程内部的并发；线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。每个线程都独自占用一个虚拟处理器：独自的寄存器组，指令计数器和处理器状态。每个线程完成不同的任务，但是共享同一地址空间（也就是同样的动态内存，映射文件，目标代码等等），打开的文件队列和其他内核资源。

2. 区别：

1. 一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。线程依赖于进程而存在。
2. 进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享进程的内存。（资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。同一进程中的多个线程共享代码段（代码和常量），数据段（全局变量和静态变量），扩展段（堆存储）。但是每个线程拥有自己的栈段，栈段又叫运行时段，用来存放所有局部变量和临时变量。）
3. 进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位；
4. 系统开销： 由于在创建或撤消进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I／o设备等。因此，操作系统所付出的开销将显著地大于在创建或撤消线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及到整个当前进程CPU环境的保存以及新被调度运行的进程的CPU环境的设置。而线程切换只须保存和设置少量寄存器的内容，并不涉及存储器管理方面的操作。可见，进程切换的开销也远大于线程切换的开销。
5. 通信：由于同一进程中的多个线程具有相同的地址空间，致使它们之间的同步和通信的实现，也变得比较容易。进程间通信IPC，线程间可以直接读写进程数据段（如全局变量）来进行通信——需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。在有的系统中，线程的切换、同步和通信都无须操作系统内核的干预
6. 进程编程调试简单可靠性高，但是创建销毁开销大；线程正相反，开销小，切换速度快，但是编程调试相对复杂。
7. 进程间不会相互影响 ；线程一个线程挂掉将导致整个进程挂掉
8. 进程适应于多核、多机分布；线程适用于多核

进程间通信的方式：

进程间通信主要包括管道、系统IPC（包括消息队列、信号量、信号、共享内存等）、以及套接字socket。

1.管道：

管道主要包括匿名管道和命名管道:管道可用于具有亲缘关系的父子进程间的通信，命名管道除了具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信

• 1.1 匿名管道PIPE：

1. 它是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），具有固定的读端和写端
2. 它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（也是父子进程或者兄弟进程之间）
3. 它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中。

• 1.2 命名管道FIFO：

1. FIFO可以在无关的进程之间交换数据
2. FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。

2. 系统IPC：

• 2.1 消息队列 消息队列，是消息的链接表，存放在内核中。一个消息队列由一个标识符（即队列ID）来标记。 (消息队列克服了信号传递信息少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等特点)具有写权限得进程可以按照一定得规则向消息队列中添加新信息；对消息队列有读权限得进程则可以从消息队列中读取信息；

特点：

1. 消息队列是面向记录的，其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。
2. 消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除。
3. 消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取。

• 2.2 信号量semaphore 信号量（semaphore）与已经介绍过的 IPC 结构不同，它是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。信号量用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。

特点：

1. 信号量用于进程间同步，若要在进程间传递数据需要结合共享内存。
2. 信号量基于操作系统的 PV 操作，程序对信号量的操作都是原子操作。
3. 每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1，而且可以加减任意正整数。
4. 支持信号量组。

2.3 信号signal

信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。

2.4 共享内存（Shared Memory）

它使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据得更新。这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等

特点：

1. 共享内存是最快的一种IPC，因为进程是直接对内存进行存取
2. 因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步
3. 信号量+共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问

3.套接字SOCKET：

socket也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同主机之间的进程通信。

• 线程间通信的方式: 临界区：通过多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问； 互斥量Synchronized/Lock：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问 信号量Semphare：为控制具有有限数量的用户资源而设计的，它允许多个线程在同一时刻去访问同一个资源，但一般需要限制同一时刻访问此资源的最大线程数目。 事件(信号)，Wait/Notify：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作进程间通信的方式： 进程间通信主要包括管道、系统IPC（包括消息队列、信号量、信号、共享内存等）、以及套接字socket。