【并发编程必备基础之进程】 -- 2019-08-17 00:04:39

原文: http://blog.gqylpy.com/gqy/236

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目录

1.操作系统背景知识

2.什么是进程

3.进程调度

4.进程的并行与并发

5.同步异步阻塞非阻塞

6.进程的创建与结束

1.操作系统背景知识

顾名思义，进程即正在执行的一个过程，进程是对正在运行的程序的一个抽象。进程的概念起源于操作系统，是操作系统最核心的概念，也是操作系统提供的最古老的最重要的抽象概念之一，操作系统的其他所有内容都是围绕进程的概念展开的。

所以想要真正了解进程，应先了解操作系统，点击进入操作系统介绍

PS：即使可以利用的cpu只有一个（早期的计算机确实如此），也能保证支持（伪）并发的能力。将一个单独的cpu变成多个虚拟的cpu（多道技术：时间多路复用+空间多路复用+硬件上支持分离），如果没有进程的抽象，现代计算机将不复存在。

• 必备理论基础

1.操作系统的作用：

1)隐藏复杂的硬件接口，提供良好的抽象接口.

2)管理，调度进程，并且将多个进程对硬件的抢夺变得有序

2.多道技术

1)产生背景：针对单核，实现并发

2)空间上的复用：如内存中同时有多道程序

3)时间上的复用：复用一个cpu的时间片，强调：遇到io切，占用cpu的时间过长也切，核心在于切之前将进程的状态保存下载，这样才能保证下次切换回来时能基于上次切走的位置继续运行.

PS：现在的cpu一般都是多核的，同样，每个核都会用到多道技术。比如有4个核心，运行在核心1上的某个程序遇到io阻塞了，会等到io结束后再重新调度，此时可能会被调度道4个核心中的任何一个，具体由操作系统调度算法决定。

2.什么是进程

进程由三部分组成：代码段、数据段、PCB（Process Control Block  进程控制块）

进程(Process)是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础，在早期面向进程设计的计算机结构中，进程是程序的基本执行实体，在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

狭义定义：进程是正在运行的程序的一个实例.

广义定义：进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合(某个程序)的一次运行活动。它是操作系统动态执行的基本单元，在传统的操作系统中，进程既是基本的分配单元，也是基本的执行单元.

• 进程的概念

第一，进程是一个实体，每一个进程都有它自己的地址空间，一般情况下，包括文本区域(text region)、数据区域(data region)、堆栈(stack region)。文本区域处理器执行的代码；数据区域存储的变量和进程执行期间使用的动态分配的内存；堆栈区域存储着活动过程调用的指令和本地变量。

第二，进程是一个“执行中的程序”。程序是一个没有生命的实体，只有处理器赋予程序生命时（操作系统执行时），它才能成为一个活动是实体，我们称其为进程。

进程是操作系统中最基本、最重要的概念，是多道程序系统出现以后，为了刻画系统内部出现的动态情况，描述系统内部各道程序的活动规律引进的一个概念，所有基于多道程序设计的操作系统都建立在进程的基础上。

操作系统引入进程概念的原因：从理论角度看，是对正在运行的程序过程的抽象；从实现角度看，是一种数据结构，目的在于清晰地刻画动态系统的内在规律，有效管理和调度进入计算机系统主存储器运行的程序。

• 进程的特征

1.动态性：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的.

2.并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行.

3.独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位.

4.异步行：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进.

5.结构特征：进程由程序、数据和进程控制块三部分组成.

多个不同的进程可以包含相同的程序，一个程序在不同的数据集里就构成不同的进程，能得到不同的结果，但是在执行过程中，程序不能发生改变。

• 进程与程序的区别

1.程序是指令和数据的有序集合，其本身没有任何运行的含义，是一个静态的概念.

2.进程是程序在处机上的一次处理过程，它是一个动态的概念.

3.程序可以作为一种软件资料长期存在，而进程是有一定生命期的.

4.程序是永久的，进程是短暂的.

注意：同一个程序执行两次，就会在操作系统中出现至少两个进程，所以我们一般可以同时运行一个软件，分别做不同的事情也不会混乱。

3.进程调度

想要多个进程交替运行，操作系统必须对这些进程进行调度，这个调度也不是随机进行的，而是需要遵循一定法则，由此就有了进程的调度算法.

• 先来先服务调度算法

先来先服务（FCFS）调度算法是一种最简单的调度算法，该算法即可用于作业调度，也可用于进程调度。FCFS算法比较有利于长作业（过程），而不利于短作业（进程）。由此可知，本算法适合于cpu繁忙型作业，而不利于i/o繁忙型的作业（过程）.

• 短作业优先调度算法

短作业（进程）优先调度算法（SJ/PF）是指对短作业或短进程优先调度的算法，该算法即可用于作业调度，也可用于进程调度。但其对长作业不利，无法保证紧迫性作业（进程）被及时处理，作业的长短只是被估算出来的.

• 时间片轮转法

时间片轮转法（Round Robin, RR）法的基本思路是让每个进程在就绪队列中的等待时间与享受服务的时间成正比例。在时间片轮转法中，需要将cpu的处理时间分成固定大小的时间片（几十毫秒至几百毫秒），如果一个进程在被调度选中之后用完了系统规定的时间片，但又未完成要求的任务，则它会自行释放自己所占有的cpu并排到就绪队列的末尾，等待下一次的调度。同时，进程调度程序又去调度当前就绪队列中的第一个进程.

显然，轮转法只能用来调度分配一些可以抢占的资源，这些可以抢占的资源可以随时被剥夺，而且可以将它们再分配给别的进程。cpu是可抢占资源的一种，但打印机等资源是不可抢占的，由于作业调度是对除了cpu之外的所有系统硬件资源的分配，其中包含有不可抢占的资源，所以作业调度不使用轮换法.

在轮转法中，时间片长度的选取非常重要。首先时间片长度的选择会直接影响到系统的开销和相应时间，如果时间片长度过短，则调度程序抢占处理机的次数增多，这将使进程上下文切换的次数也大大增加，从而加重系统开销。反过来如果时间片长度选择过长，例如：一个时间片就能保证就绪队列中执行时间最长的进程执行完毕，那岂不是将轮转法变成了先来先服务法。时间片长度的选择是根据系统对响应时间的要求和就绪队列中所允许最大的进程数来确定的.

在轮转法中，加入到就绪队列的进程有3种情况：

1.分给该进程的时间片用完，但进程还未完成，回到就绪队列的末尾等待下次调度继续执行.

2.分给该进程的时间片并未用完，只是因为请求i/o或由于进程的互斥与同步关系而被阻塞，当阻塞解除之后再回到就绪队列.

3.新创建的进程加入到就绪队列

如果将这些进程区别对待，给予不同的优先级和时间片，从直观上看，可以进一步改善系统服务质量和效率。例如，我们可以把就绪队列按照进程到达就绪队列的类型和进程被阻塞时的阻塞原因分成不同的就绪队列，每个队列按FCFS原则排列，各队列之间的进程享有不同的优先级，但同一队列内优先级相同。这样，每当一个程序在执行完它的时间片之后，或从睡眠中被唤醒以后以及被创建之后，将进入不同的就绪队列.

• 多级反馈队列

前面介绍的各种用作进程调度的算法都有一定的局限性。如短进程优先的调度算法仅照顾了短进程而忽略了长进程，而且如果并未指明进程的长度，则短进程优先和基于进程长度的抢占式调度算法都将无法使用.

而多极反馈队列调度算法则不必事先知道各种进程所需的执行时间，而且还可以满足各种类型进程的需要，因而它是目前被公认的一种较好的进程调度算法。具体工作过程如下：

1.应设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级，第一个队列的优先级最高，第二个队列次之，其余个队列的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各不相同，例如：第二个队列的时间片要比第一个队列时间片长一倍，第i+1个队列的时间片要比第i个队列的时间片长一倍.

2.当一个进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS原则排队等待调度。当轮到该程序执行时，如它能在该时间片内完成，便可准备撤离系统，如果他在一个时间片结束时尚未完成，调度程序便将该进程转入第二队列的末尾，再同样的按FCFS原则等待调度执行，如果他在第二个队列中运行一个时间片后仍未完成，再依次将它放入第三个队列的末尾，......，如此下去，当一个长作业（进程）从第一队列依次将到第n个队列后，在第n个队列便采取按时间片轮转的方式运行

3.仅当第一队列空闲时，调度程序才会调度第二队列中的进程运行，仅当第1~[i-1]队列均空时，才会调度第i队列中的进程运行。如果处理机正在第i队列中为某进程服务时，又有新进程进入优先权较高的队列（第1~[i-1] 中的任何一个队列），则此时新进程将抢占正在运行进程的处理机，即由调度程序把正在运行的进程放回到第i队列的末尾，把处理机分配给新到的高优先级进程.

4.进程的并行与并发

并行：两者同时执行，比如赛跑，两个人都在不停的往前跑（资源够用，比如三个线程，四核的cpu）
并发：资源有限的情况下，两者轮流使用资源，比如一段路（单核cpu资源）只能同时过一个人，A走一段后，让B走，B走一段后让A走，交替使用，目的是提高效率。

并行与并发的区别：

并发是从宏观上的，在一个时间段上可以看出是同时执行的，比如一个服务器同时处理多个session.

5.同步异步阻塞非阻塞

• 进程状态

在了解其他概念之前，我们首先要了解进程的几个状态，在程序运行的过程中，由于被操作系统的调度算法控制，程序可能会进入几个状态：就绪，运行和阻塞。

1.就绪(Ready)状态：当进程已分配到除cpu以外的所有必要的资源，只要获得处理机便可执行，这时的进程状态为就绪状态.

2.执行/运行(Running)状态：当进程已获得处理机，其程序正在处理机上执行，此时的进程状态称为执行状态.

3.阻塞(Blocked)状态：正在执行的进程由于等待某个事件发生而无法执行时，便放弃处理机而处于阻塞状态，引起进程阻塞的事件可有多种，例如，等待i/o完成、申请缓冲区不能满足、等待信件(信号)等.

• 异步和同步

同步：一个任务的完成需要依赖另外一个任务时，只有等待被依赖的任务完成后，依赖的任务才能算完成，这是一种可靠的任务序列，要么都成功，要么都失败，两个任务的状态保持一致.

异步：不需要等待被依赖的任务完成，只是去通知被依赖的任务要完成什么工作，依赖的任务便会立即执行，只要自己完成了整个任务就算完成了，至于被依赖的任务最终是否完成任务，依赖它的任务无法确定，所以它是不可靠的任务序列.

比如你去银行办理业务，可能会有两种方式：

第一种：选择排队

第二种：选择取一个小纸条，上面有你的号码，等到排到你这一号时由柜台的人通知你

第一种：前者(等待排队)就是同步等待消息通知，也就是你要一直等待银行办理业务情况；

第二种：后者(等待别人通知)就是异步等待消息通知，在异步消息处理中，等待消息通知者（在这个例子中就是等待办理业务的你）往往注册一个回调机制，在所等待的事件被触发时由触发机制（在这里是柜台的人）通过某种机制（在这里时写在小纸条上的号码，喊号）通知等待该事件的人。

• 阻塞与非阻塞

阻塞和非阻塞这两个概念和程序（线程）等待消息通知（无所为同步或者异步）时的状态有关。也就是说阻塞与非阻塞主要是从程序（线程）等待消息通知时的状态角度来说的。

来，继续上面的例子，不论是排队还是使用号码，如果在这个等待的过程中，等待者除了等待消息通知之外不能做其它的事情，那么该机制就是阻塞的，表现在程序中，也就是该程序一直阻塞在该函数被调用处不能继续往下执行。

相反，你比较喜欢在银行办理这些业务的时候一边发发短信聊聊天一边等待，这样的状态就是非阻塞的，因为你被阻塞在等待通知上，而是一边做自己的事情，一边等待柜台的通知。

注意：同步非阻塞形式实际上是效率低下的，想象一下，你一边聊着小天还要一边观察队伍有没有排到你，如果把聊天和观察队伍看成是程序的两个操作的话，这个程序需要在这两种行为之间来回的切换，可想而之效率是低下的。而异步非阻塞形式却没有这样的问题，因为打电话是你的事情，通知你则是柜台（消息触发机制）的事情，程序不会在两种不同的操作来回切换。

• 同步/异步与阻塞/非阻塞

1.同步阻塞形式

效率最低！拿上面的例子来说，你必须专心排队，别的什么事都做不了

2.异步阻塞形式

异步操作是可以被阻塞住的，只不过他不是在处理消息时被阻塞，而是在等待消息通知时被阻塞.

还是上面的例子，在银行等待办理业务的人采用的是异步的方式去等待消息被触发（等待柜台的通知），也就是领了一张小纸条。现在假设：在这段时间里你不能离开银行做其它事情，那么很显然，你被阻塞在了这个等待的操作。

3.同步非阻塞形式

实际上是效率低下的.

嗯上面的例子，想象一下，你一边聊着天还要一边观察队伍有没有排到你，如果把这聊天和观察队伍看成程序的两个操作，这个程序需要在这两种操作之间来回的切换，可想而之效率是低下的。

4.异步非阻塞形式

效率更高！

因为聊天是你（就绪的进程）的事情，而通知你则是柜台（消息触发机制）的事情，程序并不会在这两种操作之间来回的切换。

比如说，这个时候你突然想抽烟了，于是告诉大堂经理说，排到你这个号码的时候麻烦到外面喊你一下。那么你并没有被阻塞在这个等待的操作上面，自然这个就是异步+非阻塞的方式了。

6.进程的创建与结束

• 进程的创建

但凡是硬件，都需要有操作系统去管理，只要有操作系统，就有进程的概念，就需要有创建进程的方式，一些操作系统只为一个应用程序设计，比如空调中的控制器，一旦启动空调，所有的进程都已经存在。

而对于通用系统（可以运行很多应用程序的，比如windows），就需要有在系统运行的过程中创建和撤销进程的能力。

创建新的进程有四种方式：

1.系统初始化

2.一个进程在运行过程中开启了子进程

3.用户的交互式请求（如用户打开浏览器）

4.一个批处理作业的初始化（只在大型机的批处理系统中应用）

无论是哪一种方式创建的进程，都需要有一个已经存在的进程去执行用于创建进程的系统调用.

• 关于UNIX和Windows创建进程

1.UNIX：调用的是fork，fork会创建一个与父进程一摸一样的副本，二者有相同的存储映像、同样的环境字符串和同样的打开文件（在shell解释器进程中，执行一个命令就会创建一个子进程）。

2.Windows：调用的是CreateProcess，CreateProcess即处理进程的创建，也负责把正确的程序装入新进程。

二者相同点：进程创建后，父进程和子进程有各自不同的地址空间（多道技术要求物理层面实现进程之间内存的隔离），任何一个进程在其地址空间中的修改都不会影响到另外一个进程。

二者不同点：在UNIX中，子进程的初始化地址空间是父进程的一个副本（子进程和父进程是可以有只读的共享内存区的），而Windows系统从一开始子进程与父进程的地址空间就是不同的。

• 进程的结束

1.正常退出：自愿，如用户点击交互页面的叉号，或程序执行完毕后调用发起系统的正常退出，Linux系统中用exit，Windows系统中用ExitProcess。

2.出错退出：自愿，如sh test.py,而test.py不存在。

3.严重错误：非自愿，执行非法指令，如引用不存在的内存地址，i/o等，可捕获异常。

4.被其他进程杀死：非自愿，如 kill -9

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