進程理論基礎

什麼是進程

　　進程就是一個程序在一個數據集上的一次動態執行過程。是用來描述程序執行過程的虛擬概念。進程的概念起源於操做系統，進程是操做系統最核心的概念，操做系統其它全部的概念都是圍繞進程來的。進程通常由程序、數據集、進程控制塊三部分組成。咱們編寫的程序用來描述進程要完成哪些功能以及如何完成；數據集則是程序在執行過程當中所須要使用的資源；進程控制塊用來記錄進程的外部特徵，描述進程的執行變化過程，系統能夠利用它來控制和管理進程，它是系統感知進程存在的惟一標誌。

進程與程序的區別

　　程序僅僅只是一堆代碼而已，而進程指的是程序的運行過程

　　須要強調的是：同一程序執行兩次，那也是進程，好比登陸QQ，雖然都是同一個軟件，可是一個能夠視頻聊天，一個能夠逛空間。

併發和並行

併發：單CPU，多進程併發

　　不管是並行仍是併發，在用戶看來都是 「同時」 運行的，不論是進程仍是線程，都只是一個任務而已，真實幹活的是 CPU，CPU 來作這些任務，而一個 CPU 同一時刻只能執行一個任務

　　併發是僞並行，即看起來是同時運行。單個 CPU + 多道技術就能夠實現併發（並行也屬於併發）

並行：多CPU（同時運行，只有具備多個cpu才能實現並行）

　　單核下，能夠利用多道技術，多個核，每一個核也均可以利用多道技術（多道技術是針對單核而言的）

　　有四個核，六個任務，這樣同一時間有四個任務被執行，假設分別被分配給了 CPU1，CPU2，CPU3，CPU4，一旦任務 1 遇到 I/O 就被迫中斷執行，此時任務 5 就拿到 CPU1 的時間片去執行，這就是單核下的多道技術，而一旦任務 1 的 I/O 結束了，操做系統會從新調用它（需知進程的調度、分配給哪一個 CPU 運行，由操做系統說了算），可能被分配給四個 CPU 中的任意一個去執行

　　全部現代計算機常常會在同一時間作不少件事，一個用戶的PC（不管是單 CPU 仍是多CPU），均可以同時運行多個任務（一個任務能夠理解爲一個進程）。

多道技術：內存中同時存入多道（多個）程序，CPU 從一個進程快速切換到另一個，使每一個進程各自運行幾十或幾百毫秒，這樣，雖然在某一個瞬間，一個 CPU 只能執行一個任務，但在 1 秒內，CPU 卻能夠運行多個進程，這就給人產生了並行的錯覺，即僞併發，以此來區分多處理器操做系統的真正硬件並行（多個 CPU 共享同一個物理內存）

同步和異步

同步執行：一個進程在執行某個任務時，另一個進程必須等待其執行完畢，才能繼續執行

異步執行：一個進程在執行某個任務時，另一個進程無需等待其執行完畢，就能夠繼續執行，當有消息返回時，系統會通知後者進行處理，這樣能夠提升執行效率

舉個例子，打電話時就是同步通訊，發短息時就是異步通訊。

進程的建立

但凡是硬件，都須要有操做系統去管理，只要有操做系統，就有進程的概念，就須要有建立進程的方式，一些操做系統只爲一個應用程序設計，好比微波爐中的控制器，一旦啓動微波爐，全部的進程都已經存在。而對於通用系統（跑不少應用程序），須要有系統運行過程當中建立或撤銷進程的能力，主要分爲四種形式建立新的進程

　　 1）系統初始化（查看進程 Linux 中用 ps 命令，Windows 中用任務管理器，前臺進程負責與用戶交互，後臺運行的進程與用戶無關，運行在後臺而且只在須要時才喚醒的進程，稱爲守護進程，如電子郵件、Web 頁面、新聞、打印）

　　2）一個進程在運行過程當中開啓了子進程（如 nginx 開啓多進程，os.fork，subprocess.Popen 等）

　　3）用戶的交互式請求，而建立一個新進程（如用戶雙擊暴風影音）

　　4）一個批處理做業的初始化（只在大型機的批處理系統中應用）

不管哪種，新進程的建立都是由一個已經存在的進程執行了一個用於建立進程的系統調用而建立的：

　　1）在 UNIX 中該系統調用是：fork，fork 會建立一個與父進程如出一轍的副本，兩者有相同的存儲映像、一樣的環境字符串和一樣的打開文件（在 shell 解釋器進程中，執行一個命令就會建立一個子進程）

　　2. 在 Windows 中該系統調用是：CreateProcess，CreateProcess 既處理進程的建立，也負責把正確的程序裝入新進程。

　　關於建立的子進程，UNIX 和 Windows

　　1）相同的是：進程建立後，父進程和子進程有各自不一樣的地址空間（多道技術要求物理層面實現進程之間內存的隔離），任何一個進程的在其地址空間中的修改都不會影響到另一個進程。

　　2）不一樣的是：在 UNIX 中，子進程的初始地址空間是父進程的一個副本，提示：子進程和父進程是能夠有隻讀的共享內存區的。可是對於 Windows 系統來講，從一開始父進程與子進程的地址空間就是不一樣的。

進程的終止

　　一、正常退出（自願，如用戶點擊交互式頁面的叉號，或程序執行完畢調用發起系統調用正常退出，在 Linux 中用 exit，在 Windows 中用 ExitProcess）

　　二、出錯退出（自願，python a.py 中 a.py 不存在）

　　三、嚴重錯誤（非自願，執行非法指令，如引用不存在的內存，1/0 等，能夠捕捉異常，try...except...）

　　四、被其餘進程殺死（非自願，如 kill -9）

進程的層次結構

不管 UNIX 仍是 Windows，進程只有一個父進程，不一樣的是：

　　1）在 UNIX 中全部的進程，都是以 init 進程爲根，組成樹形結構。父子進程共同組成一個進程組，這樣，當從鍵盤發出一個信號時，該信號被送給當前與鍵盤相關的進程組中的全部成員。

　　2）在 Windows 中，沒有進程層次的概念，全部的進程都是地位相同的，惟一相似於進程層次的暗示，是在建立進程時，父進程獲得一個特別的令牌（稱爲句柄），該句柄能夠用來控制子進程，可是父進程有權把該句柄傳給其餘子進程，這樣就沒有層次了。

進程的狀態

 

進程併發的現象

　　進程併發的實如今於，硬件中斷一個正在運行的進程，把此時進程運行的全部狀態保存下來，爲此，操做系統爲每一個進程定義了一個數據結構——進程控制塊 PCB（Process Control Block）。它是進程實體的一部分，是操做系統中最重要的記錄型數據結構。PCB 中記錄了操做系統所需的、用於描述進程的當前狀況以及控制進程運行的所有信息。進程控制塊的做用是使一個在多道程序環境下不能獨立運行的程序（含數據），成爲一個能獨立運行的基本單位，一個能與其它進程併發執行的進程。或者說，OS 是根據 PCB 來對併發執行的進程進行控制和管理的。PCB 是進程存在的惟一標誌。