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2026-06-25 00:09:09 +08:00

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实验一进程与线程——Linux 进程与线程通信

一、实验内容

深刻理解线程和进程的概念，掌握线程与进程在组成成分上的差别，以及与其相适应的通信方式和应用目标。

以 Linux 系统进程和线程机制为背景，掌握 fork() 和 clone() 系统调用的形式和功能，以及与其相适应的高级通信方式：

由 fork() 派生的子进程之间通过 pipe 通信
由 clone() 创建的线程之间通过共享内存通信（需要考虑互斥问题）

以生产者-消费者问题为例，实现创建 4 个进程或线程，其中包括两个生产者和两个消费者，生产者和消费者之间能够传递数据。

二、实验设计

2.1 基于 fork() 的进程版本

函数设计：

main() - 主函数，创建管道和4个子进程
producer(int id) - 生产者函数，向管道写入数据
consumer(int id) - 消费者函数，从管道读取数据

调用关系：

main()
├── pipe() 创建管道
├── fork() → producer(1)
├── fork() → producer(2)
├── fork() → consumer(1)
├── fork() → consumer(2)
└── wait() 等待所有子进程结束

通信机制：

使用 pipe() 创建匿名管道
生产者关闭管道读端，写入 w_buf 内容
消费者关闭管道写端，读取 r_buf 内容

2.2 基于 clone() 的线程版本

函数设计：

main() - 主函数，初始化互斥锁和信号量，创建4个线程
producer(void *args) - 生产者线程函数
consumer(void *args) - 消费者线程函数

调用关系：

main()
├── pthread_mutex_init() 初始化互斥锁
├── sem_init() 初始化信号量
├── clone(producer) 创建生产者线程1
├── clone(consumer) 创建消费者线程1
├── clone(producer) 创建生产者线程2
├── clone(consumer) 创建消费者线程2
└── exit() 退出

通信机制：

使用共享内存 buffer[8][4] 存放数据
使用 pthread_mutex_t mutex 进行互斥保护
使用 sem_t product/warehouse 进行同步

三、编码实现

3.1 fork() 版本修改要点

头文件：需要 sys/types.h、sys/file.h、unistd.h
全局变量：
- pipe_fd[2] - 管道文件描述符
- r_buf[4]、w_buf[4] - 读写缓冲区
生产者实现：
- 关闭管道读端 close(pipe_fd[0])
- 循环写入数据 write(pipe_fd[1], w_buf, 4)
- 每3秒生产一个数据
消费者实现：
- 关闭管道写端 close(pipe_fd[1])
- 循环读取数据 read(pipe_fd[0], r_buf, 4)
- 读到0字节表示管道关闭，退出循环

3.2 clone() 版本修改要点

头文件：需要 sched.h、pthread.h、semaphore.h

共享资源初始化：

pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
sem_init(&product, 0, 0);
sem_init(&warehouse, 0, 8);

clone() 标志位：
```
clone_flag = CLONE_VM | CLONE_SIGHAND | CLONE_FS | CLONE_FILES;
```
表示共享地址空间、信号处理、文件系统信息和文件描述符
生产者实现：
- P操作申请仓库空位 sem_wait(&warehouse)
- 加锁写入共享缓冲区 pthread_mutex_lock(&mutex)
- V操作通知产品 sem_post(&product)
消费者实现：
- P操作等待产品 sem_wait(&product)
- 加锁读取共享缓冲区 pthread_mutex_lock(&mutex)
- V操作释放仓库空位 sem_post(&warehouse)

3.3 编译命令

# fork 版本
g++ exp01_source.cpp -o exp01_fork

# clone 版本
g++ exp01_clone.cpp -lpthread -o exp01_clone

四、实验结果

4.0 测试命令

# 编译 fork 版本
g++ exp01_source.cpp -o exp01_fork

# 编译 clone 版本
g++ exp01_clone.cpp -lpthread -o exp01_clone

# 运行 fork 版本（等待约30秒后自动结束）
./exp01_fork

# 运行 clone 版本（等待约20秒后自动结束）
./exp01_clone

4.1 fork() 版本运行结果

pipe is created successfully!
producer 1 is running!
producer 2 is running!
consumer 2 is running!
consumer 1 is running!
consumer 1 get aaa, while the w_buf is ccc
consumer 2 get bbb, while the w_buf is ddd
consumer 1 get aaa, while the w_buf is ccc
consumer 2 get bbb, while the w_buf is ddd
...
producer 1 is over!
producer 2 is over!
consumer 1 is over!
consumer 2 is over!

结果说明：

4个进程并发运行，进程间独立地址空间
通过管道传递数据 "aaa" 和 "bbb"
消费者获取的数据与生产者写入的一致
每个进程独立运行，无数据竞争

4.2 clone() 版本运行结果

producer0 produce aaa in 0
producer1 produce bbb in 1
consumer0 get aaa in 1
consumer1 get bbb in 0
producer0 produce aaa in 2
producer1 produce bbb in 3
consumer0 get aaa in 3
consumer1 get bbb in 2
...
producer0 is over!
producer1 is over!
consumer0 is over!
consumer1 is over!

结果说明：

4个线程共享地址空间，共享 buffer[8][4]
互斥锁保护共享缓冲区的读写操作
信号量实现生产者和消费者的同步
线程间数据一致，无竞争条件

五、实验结果思考与体会

5.1 fork() 与 clone() 的区别

特性	fork()	clone()
地址空间	独立	可共享
创建开销	较大（复制整个进程）	较小（可共享资源）
通信方式	管道/消息队列等	共享内存（天然支持）
同步需求	需要额外同步机制	可直接同步

5.2 思考问题解答

问题1：用 shm/msg 实现生产者-消费者

可以使用共享内存（shmget/shmat）替代 clone() 的共享内存机制，用消息队列（msgget/msgsnd）替代管道实现生产者和消费者通信。

问题2：对比 pipe、clone、shm、msg 优缺点

pipe：适用于有亲缘关系的进程，编程简单，但数据传输单向
clone()：创建灵活，可共享多种资源，但编程复杂
shm：读写效率高，适合大数据共享，但需要同步
msg：支持消息类型过滤，但大数据传输需要拆分

5.3 实验体会

通过本实验，深入理解了进程与线程的本质区别：

进程拥有独立的地址空间，适合需要隔离的任务 -线程共享地址空间，适合需要频繁通信和数据共享的任务

生产者-消费者问题是经典的同步问题，通过本实验掌握了：

进程/线程的创建方法
进程间通信（IPC）机制
线程间同步机制（互斥锁、信号量）
死锁和竞争条件的避免方法

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