Linux 多线程 / 多进程编程、同步互斥、信号机制完整梳理

一、多进程编程（进程：独立地址空间，资源隔离）

1. 创建进程核心 API

1. fork()
   • 调用一次返回两次：父进程返回子进程 PID，子进程返回 0；失败返回 - 1。
   • 写时复制 COW：初期父子共享页表，修改内存才拷贝，开销大。
   • 示例逻辑：

   pid_t pid = fork(); if(pid < 0) { perror("fork"); } else if(pid == 0) { /* 子进程 */ } else { /* 父进程，pid是子进程号 */ }

2. vfork()不拷贝地址空间，子进程直接复用父进程内存，必须立刻exec/_exit，现已基本废弃。
3. exec 系列（替换进程镜像）execl/execlp/execle/execv/execvp/execve，fork 后调用执行新程序。
4. 进程回收 wait /waitpid
   • wait()：阻塞等待任意子进程退出，获取退出状态，处理僵尸进程。
   • waitpid(pid, &status, WNOHANG)：非阻塞，可指定等待某一子进程。
   • 僵尸进程：子进程先退出、父进程未回收，PCB 残留；孤儿进程：父进程先退出，子进程由init/systemd收养。

2. 进程间通信 IPC（多进程数据交换）

1. 管道 pipe：单向，仅父子进程通信
2. 命名管道 FIFO：无亲缘进程可用
3. 共享内存 shmget/shmat/shmdt/shmctl：最快 IPC，需手动同步
4. 消息队列 msgget/msgsnd/msgrcv：带类型消息缓冲
5. 信号量 semget/semop/semctl：专门用于进程同步互斥
6. Socket：本地域 socket，跨进程 / 跨机器通用

二、多线程编程（线程：进程内执行流，共享地址空间）

1. pthread 核心 API

• 创建：pthread_create(&tid, attr, start_routine, arg)
• 等待回收：pthread_join(tid, &retval)（阻塞回收）
• 分离线程：pthread_detach(tid)，线程退出自动释放资源，无需 join
• 线程退出：pthread_exit(void *ret)；主线程exit()会杀死所有子线程，pthread_exit()仅结束主线程、子线程继续运行
• 获取自身 tid：pthread_self()

2. 线程独有 / 共享资源

• 共享：全局变量、堆、文件描述符、信号处理函数、代码段
• 独有：栈、寄存器、errno、线程私有数据 TSD、调度优先级

三、同步与互斥（解决竞态条件：多执行流并发修改共享资源）

（一）互斥：同一时刻仅一个执行流访问临界区

1. 互斥锁 pthread_mutex_t（线程专用）

pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; pthread_mutex_lock(&mtx); // 加锁，阻塞 pthread_mutex_unlock(&mtx); // 解锁 pthread_mutex_trylock(&mtx);// 非阻塞加锁，失败返回EBUSY

类型：普通锁、递归锁（同一线程可多次 lock）、错误检测锁。

2. 进程间互斥：信号量 semaphore

• System V 信号量：semget/semop/semctl，支持多计数器，常用于多进程互斥同步
• POSIX 无名信号量：存于共享内存，多进程 / 线程可用
• POSIX 有名信号量：sem_open，磁盘持久化，无亲缘进程通信

（二）同步：控制执行流先后顺序

1. 条件变量 pthread_cond_t（配合互斥锁使用）

   • pthread_cond_wait(cond, mtx)：释放锁并阻塞，被唤醒后重新加锁
   • pthread_cond_signal：唤醒一个等待线程
   • pthread_cond_broadcast：唤醒全部等待线程典型场景：生产者消费者模型。

2. 读写锁 pthread_rwlock_t

   • 读共享、写独占：大量读少量写场景提升并发
   • rdlock多线程同时持有，wrlock独占。

3. 自旋锁 pthread_spinlock_t忙等循环，不切换上下文；适合临界区极短、CPU 充足场景。

（三）进程同步补充

1. 文件锁 fcntl：文件级互斥，简单轻量
2. 共享内存 + 信号量：高性能多进程并发读写

四、Linux 信号处理机制

1. 信号基础

信号是内核 / 进程发给另一进程的异步通知，中断程序正常执行：

• 常见信号：
  • SIGINT (2) Ctrl+C；SIGKILL (9) 强制杀死，不可捕获；SIGSEGV (11) 段错误；SIGCHLD 子进程退出；SIGALRM 定时器信号
• 信号状态：递达、未决、阻塞（信号屏蔽字 mask）

2. 信号注册 API

1. signal(int sig, void (*handler)(int))：简易接口，跨平台兼容性差
2. sigaction(int sig, struct sigaction *act, oldact)：推荐，精细控制
   • sa_handler：普通信号处理函数
   • sa_sigaction：带附加信息的处理函数（支持 siginfo_t）
   • sa_mask：执行 handler 时临时屏蔽的信号集
   • sa_flags：SA_RESTART（系统调用自动重启）、SA_NOCLDWAIT（SIGCHLD 不产生僵尸）

3. 信号集操作（屏蔽 / 解除屏蔽信号）

sigset_t set; sigemptyset(&set); // 清空集合 sigaddset(&set, SIGINT); // 添加信号 sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL); // 阻塞指定信号 sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL); // 解除阻塞

4. 信号等待

• pause()：阻塞直到收到任意信号
• sigsuspend(&mask)：临时替换屏蔽字并阻塞，原子操作，避免竞态

5. 多进程 / 多线程信号特性

1. 进程信号：SIGCHLD 用于父进程异步回收子进程，避免轮询 waitpid
2. 线程信号规则
   • 信号屏蔽字是线程私有，每个线程可独立屏蔽不同信号
   • 同步信号（SIGSEGV/SIGFPE）发送到触发线程；异步信号随机发给任意未屏蔽该信号的线程
   • 多线程程序推荐：单独创建一个专用线程统一处理所有异步信号，其余线程全部屏蔽信号，简化逻辑

6. 信号处理限制

信号 handler 内只能调用异步安全函数（write、sigaddset 等），禁止 malloc、printf、pthread 系列等非安全函数，易死锁 / 内存损坏。

五、面试高频总结（可直接用于简历 / 口述）

1. 进程与线程区别：进程资源隔离、切换开销大；线程共享地址空间、切换轻量，线程依赖进程存在。
2. 互斥 vs 同步：互斥保证同一时间唯一访问临界区；同步控制执行先后顺序，条件变量 + 互斥锁是标准组合。
3. 锁选择：短临界区用自旋锁；普通线程互斥用 mutex；多读少写用读写锁；多进程同步用信号量。
4. 信号关键点：SIGKILL 无法捕获；线程独立屏蔽字；handler 仅可调用异步安全函数；SIGCHLD 解决僵尸进程。
5. 生产者消费者经典模型实现：线程版 (mutex+cond)、进程版 (共享内存 + 信号量)。