进程定义

程序:

计算机程序是存储在磁盘上的可执行二进制(或其他类型)文件。
只有把它们加载到内存中,并被操作系统调用,它们才会拥有其自己的生命周期。

进程:

进程则是表示的一个正在执行的程序。
每个进程都拥有自己的地址空间、内存、数据栈
以及其他用于跟踪执行的辅助数据,负责执行程序的是CPU

并发与并行

并发:单CPU,多进程并发

无论是并行还是并发,在用户看来都是'同时'运行的,不管是进程还是线程,都只是一个任务而已,真实干活的是cpu,cpu来做这些任务,而一个cpu同一时刻只能执行一个任务

一 并发:是伪并行,即看起来是同时运行。单个cpu+多道技术就可以实现并发,(并行也属于并发)

比如说你就是一个CPU,你下午有几个活要干,做饭,洗衣服,扔垃圾,买东西等。但是就在那一下午要把所有的事干完(而CPU同一时间只能干一件事),那么如何才能让多个任务实现并发执行的效果呢?那么,你应该这样做,你可以先用洗衣机洗个衣服(假设洗衣需要1个小时),洗衣服同时做个饭,等做完饭,去楼下买东西,顺便把垃圾扔了,然后把东西买完之后,衣服也差不多洗完了。

并行:多CPU(同时运行,只有具有多个cpu才能实现并行)

并行满足的条件是总进程数量不多于 CPU核心数量!因此,现在PC运行的程序大部分都是轮询调度产生的并行假象

举例:比如PC有四个核,六个任务,这样同一时间有四个任务被执行,假设分别被分配给了cpu1,cpu2,cpu3,cpu4,

一旦任务2遇到I/O就被迫中断执行,此时任务5就拿到cpu1的时间片去执行,这就是单核下的多道技术

而一旦任务2的I/O结束了,操作系统会重新调用它(需知进程的调度、分配给哪个cpu运行,由操作系统说了算),可能被分配给四个cpu中的任意一个去执行

所以,现代计算机经常会在同一时间做很多件事,一个用户的PC(无论是单cpu还是多cpu),都可以同时运行多个任务(一个任务可以理解为一个进程)。

多道技术:内存中同时存入多道(多个)程序,cpu从一个进程快速切换到另外一个,使每个进程各自运行几十或几百毫秒,这样,虽然在某一个瞬间,一个cpu只能执行一个任务,但在1秒内,cpu却可以运行多个进程,这就给人产生了并行的错觉,即伪并发,以此来区分多处理器操作系统的真正硬件并行(多个cpu共享同一个物理内存)

同步和异步

同步执行:一个进程在执行某个任务时,另外一个进程必须等待其执行完毕,才能继续执行
异步执行:一个进程在执行某个任务时,另外一个进程无需等待其执行完毕,就可以继续执行,当有消息返回时,系统会通知后者进行处理,这样可以提高执行效率

举个例子,打电话时就是同步通信,发短息时就是异步通信。

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,比如微波炉中的控制器,一旦启动微波炉,所有的进程都已经存在。

  而对于通用系统(跑很多应用程序),需要有系统运行过程中创建或撤销进程的能力,主要分为4中形式创建新的进程

  1. 系统初始化(查看进程linux中用ps命令,windows中用任务管理器,前台进程负责与用户交互,后台运行的进程与用户无关,运行在后台并且只在需要时才唤醒的进程,称为守护进程,如电子邮件、web页面、新闻、打印)

  2. 一个进程在运行过程中开启了子进程(如nginx开启多进程,os.fork,subprocess.Popen等)

  3. 用户的交互式请求,而创建一个新进程(如用户双击暴风影音)

  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)

进程的终止

    1. 正常退出(自愿,如用户点击交互式页面的叉号,或程序执行完毕调用发起系统调用正常退出,在linux中用exit,在windows中用ExitProcess)

    2. 出错退出(自愿,python a.py中a.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,1/0等,可以捕捉异常,try...except...)

  4. 被其他进程杀死(非自愿,如kill -9)

进程的层次结构

无论UNIX还是windows,进程只有一个父进程,不同的是:

  1. 在UNIX中所有的进程,都是以init进程为根,组成树形结构。父子进程共同组成一个进程组,这样,当从键盘发出一个信号时,该信号被送给当前与键盘相关的进程组中的所有成员。

  2. 在windows中,没有进程层次的概念,所有的进程都是地位相同的,唯一类似于进程层次的暗示,是在创建进程时,父进程得到一个特别的令牌(称为句柄),该句柄可以用来控制子进程,但是父进程有权把该句柄传给其他子进程,这样就没有层次了。

进程的状态

tail -f access.log |grep '500'

  执行程序tail,开启一个子进程,执行程序grep,开启另外一个子进程,两个进程之间基于管道'|'通讯,将tail的结果作为grep的输入。

  进程grep在等待输入(即I/O)时的状态称为阻塞,此时grep命令都无法运行

  其实在两种情况下会导致一个进程在逻辑上不能运行,

  1. 进程挂起是自身原因,遇到I/O阻塞,便要让出CPU让其他进程去执行,这样保证CPU一直在工作

  2. 与进程无关,是操作系统层面,可能会因为一个进程占用时间过多,或者优先级等原因,而调用其他的进程去使用CPU。

  因而一个进程由三种状态

孤儿进程与僵尸进程

在unix/linux中,正常情况下,子进程是通过父进程创建的,子进程在创建新的进程。子进程的结束和父进程的运行是一个异步过程,即父进程永远无法预测子进程 到底什么时候结束。

当一个 进程完成它的工作终止之后,它的父进程需要调用wait()或者waitpid()系统调用取得子进程的终止状态。

  孤儿进程:一个父进程退出,而它的一个或多个子进程还在运行,那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养,并由init进程对它们完成状态收集工作。

  僵尸进程:一个进程使用fork创建子进程,如果子进程退出,而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息,那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵尸进程。

僵尸进程的产生:

当你运行一个程序时,它会产生一个父进程以及很多子进程。 所有这些子进程都会消耗内核分配给它们的内存和 CPU 资源。这些子进程完成执行后会发送一个 Exit 信号然后死掉。

这个 Exit 信号需要被父进程所读取。父进程需要随后调用 wait 命令来读取子进程的退出状态,并将子进程从进程表中移除。

若父进程正确第读取了子进程的 Exit 信号,则子进程会从进程表中删掉。

但若父进程未能读取到子进程的 Exit 信号,则这个子进程虽然完成执行处于死亡的状态,但也不会从进程表中删掉。

进程并发的现象

进程并发的实现在于,硬件中断一个正在运行的进程,把此时进程运行的所有状态保存下来,为此,操作系统维护一张表格,即进程表(process table),每个进程占用一个进程表项(这些表项也称为进程控制块)

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