進程知多少？

文章首發：進程知多少？

Java 多線程系列文章第 1 篇

要講線程，通常都得講一講進程，進程是何方神聖呢？下面來簡單介紹一下。

先經過任務管理器看看 Windows 系統下的進程。

從圖片來看，每個進程都佔有 CPU、內存、磁盤、網絡等資源。站在操做系統的角度，進程是分配資源的基本單位，也是最小單位。

進程爲何出現？

引入進程的目的：爲了使多個程序能併發執行，以提升資源的利用率和系統的吞吐量。怎麼理解這句話呢？一個程序在運行過程當中會涉及不少操做，利用 CPU 計算、經過磁盤 IO 進行數據傳輸等等，咱們知道當程序在進行磁盤 IO 的時候，由於速度問題，會比較慢，所在在這個過程當中 CPU 會空閒下來，這會形成資源的浪費，正由於引入進程，在 A 進程進行磁盤 IO 的時候，會讓出 CPU 給 B 進程，合理地利用了 CPU 資源，使得程序之間能夠併發執行。

從 CPU 角度，執行過程是這樣子的：CPU 一直在負責執行指令，進程之間互相競爭 CPU 資源，下圖有 A 和 B 進程，在一個時間點，CPU 只執行一個進程的指令，由於 CPU 運行很快，因此在我們看起來，像是多個進程在同時跑。這就是進程帶來的好處：提升資源利用率，併發地執行多個程序。

固然引入進程也不是有益無害，它增長了系統的時間和空間開銷。空間開銷這個好理解，進程有本身的組成部分（下面會講），這個就佔用了空間。時間開銷則是進程切換須要時間。

進程的組成

進程由 3 個部分組成，分別是程序代碼、數據集、棧和進程控制塊（Process Control Block）。

各自的做用以下：

1. 程序代碼：描述了進程須要完成的功能。
2. 數據集、棧：程序在執行時所須要的數據和工做區。
3. 進程控制塊：包含進程的描述信息和控制信息，它是進程存在的惟一標識。

如何競爭資源（調度算法）

進程之間須要競爭資源，通常都是競爭 CPU 資源，由於 CPU 運行速度太快了，其餘介質都趕不上。有了競爭就須要有規則，就像遊戲同樣，每一個遊戲都須要規則，不一樣規則會有不一樣的側重點，這個看過「最強大腦」這個節目的朋友就很是清楚，每道題都有不一樣的考覈側重點，有些是側重空間思惟、有些側重邏輯推算等等。下面咱們就簡單地一一講解競爭資源的遊戲規則。

FCFS

First In First Out（先來先服務）：最早進入就緒隊列的進程，先運行，運行到完成或者阻塞時，再從新調度。通常狀況下，這種調度算法會和優先級策略結合，好比每一個優先級一條隊列，每條隊列中的調度都使用 FCFS。

特色：簡單、比較偏於長進程、相對於其餘調度算法平均週轉時間長。

RR

Round Robin（輪轉）：進程按提交順序存在就緒隊列，依次輪流佔用 CPU 資源，運行一段固定的時間，時間到後若是還沒執行完，就繼續進入就緒隊列隊尾，排隊等待下次執行。

特色：公平、對進程的響應時間較短。

SPN

Shortest Process Next（最短進程優先）：將預期佔用運行時間最短的進程優先執行，直到運行完成或阻塞時，再從新調度。

特色：有利於短進程。

SRT

Shortest Remaining Time（最短剩餘時間優先）：新進程進來時，若是新進程的預計運行時間比當前進程的剩餘運行時間更短，就搶佔當前進程，

特色：有利於短進程，和 SPN 的差異在於搶佔這個一點，由於搶佔，因此效率會比 SPN 好一些。

HRRN

Highest Response Ratio Next（最高響應比優先）：當前運行的進程完成或者阻塞時發生調度，每次調度前，計算全部就緒進程的響應比，響應比高的進程優先運行。

響應比公式以下所示：

特色：有利於短進程，服務時間相同的進程，先來的服務會優先執行，長進程由於在等待的過程當中，優先級愈來愈高，因此不會一直不執行。

FB

Feedback （反饋）：由多個就緒隊列組成的反饋機制，它有以下規則：

1. 在同一個隊列的進程，按 FCFS 算法調度，最後一個就緒隊列按 RR 算法調度；
2. 優先級越高的隊列，時間片越小；
3. 進程在一個時間片內未運行完，則降到下一個隊列末尾；
4. 只有上級隊列無就緒進程時，才運行本級就緒隊列，本級就緒隊列無進程時，才運行下級就緒隊列，以此類推

進程執行過程以下圖所示

特色：短進程有很是大的優點，排在前面的隊列都是時間較短的。

以上就是幾個搶佔資源的調度算法的說明。

進程狀態

上面咱們講到，進程之間是在競爭資源，獲得資源就運行，沒獲得就等待，這個須要有狀態來維護，像不少系統同樣，須要一個狀態機。

三態圖

三態圖也是描述進程狀態最簡單最基礎的圖，它包含了進程的最基本的 3 個狀態，分別是：就緒態、運行態和阻塞態。

Read（就緒態）：進程已獲得除 CPU 之外的其餘所需資源。 Running（運行態）：進程的指令正被執行。 Blocked（阻塞態）：進程正等待資源或某事件發生。

就緒態的進程在被調度的時候，進入了運行態，若是時間片運行完或者有更高級別進程搶佔資源，則變成就緒態等待再次被調度；若是發生事件（好比 IO 事件），則從運行態轉到阻塞態，進入阻塞態的進程只能等待事件解除從新進入就緒態。

五態圖

基於三態圖，新增了 2 個狀態，分別是：新建態和退出態。

New（新建態）：進程正被建立。分配內存後將被設爲就緒態。

Exit（退出態）：進程已正常結束或出現異常結束。回收資源。

新進程剛建立尚未分配資源的時候是新建態，等到分配了資源，被加載後就進入就緒態。當進程運行完後，就從運行態進入退出態。

七態圖

基於五態圖，新增了 2 種掛起態，分別是就緒掛起態和阻塞掛起態。

就緒掛起態：另叫外存就緒態。因爲內存容量有限，將原位於內存的就緒進程轉存到外存（磁盤）上。

阻塞掛起態：另叫外存阻塞態。同樣由於內存容量有限，將原位於內存的阻塞進程轉存到外存（磁盤）上。

咱們能夠看出，圖中新增了解除掛起的狀態轉換過程，通常是因爲掛起進程優先級比較高或者內存空間足夠，把位於外存（磁盤）的進程轉存到內存中。

進程關係

進程之間其實比較獨立，好比咱們在平常使用的 QQ 和微信，它們運行起來的進程有什麼關係麼？其實除了互相競爭資源以外，沒有任何關係。

父子關係

雖然上面說的進程之間沒有關係，可是有一個特殊關係須要講，就是父子關係。

先作個試驗，驗證進程的父子關係。操做步驟：

1. 打開 CMD 命令行程序，將當前的窗口設置爲 Father，在 Father 窗口經過命令start cmd啓動另外一個 CMD 命令行程序；
2. 將新開的 CMD 命令行程序的窗口設置爲 Son，在 Son 窗口經過命令start cmd啓動另外一個 CMD 命令行程序；
3. 將新開的 CMD 命令行程序的窗口設置爲 Grandson。

操做過程以下圖所示。

經過 ProcessExplorer 能夠很清晰看到這 3 個 CMD 進程之間的關係。（想要 ProcessExplorer 插件能夠經過百度網盤下載連接：pan.baidu.com/s/19531gf5t… 提取碼：qhc6）

咱們看到 Father、Son、Grandson 三個進程呈現出咱們預料中的樹形。那麼什麼是父子進程呢？簡單的說就是在進程中建立出新的進程，這個新的進程就是子進程，一個進程能夠有多個子進程，可是隻能有一個父進程。在 Unix 系統中，父進程經過調用 fork() 建立子進程，父子進程有以下特色：

1. 父、子進程併發執行；
2. 父、子進程共享父進程的全部資源；
3. 子進程複製父進程的地址空間，甚至有相同的正文段和程序計數器 PC 值；
4. 利用寫時複製（Copy On Write）技術減小沒必要要的複製：fork 時父子共用父空間，當一方試圖修改時才複製。

這裏重點講一下Copy On Write，使用了這個技術，父進程建立子進程的時候不會複製全部數據到子進程，省了複製的時間以及減小了大量的內存。這個複製不是必要的，由於若是應用程序在進程複製以後當即加載新程序，那以前的複製工做就是浪費時間和內存了。

講了進程父子關係，就免不了提一下殭屍進程和孤兒進程，下面分別介紹一下。

殭屍進程

殭屍進程：子進程退出後，父進程沒有調用 wait 或 waitpid 獲取子進程的狀態信息，子進程的進程描述符仍保存在系統中，這種進程叫殭屍進程。

殭屍進程的危害：殭屍進程會一直佔用進程號，系統能使用的進程號又是有限的，若是有大量的殭屍進程，會由於沒有可用進程號致使沒法建立新的進程。

孤兒進程

孤兒進程：父進程結束退出，而它的子進程還在運行，這時的子進程就叫作孤兒進程。孤兒進程就被 init 進程（進程號爲 1）收養，init 進程將對孤兒進程完成狀態收集工做。

孤兒進程沒有危害，由於被 init 進程託管了，init 進程會處理孤兒進程的收集工做。

執行模式

指令分爲特權指令（只能由操做系統內核使用的指令）和非特權指令（只能由用戶程序使用的指令），由於指令有特權和非特權之分，因此 CPU 也分爲 2 種執行模式：系統態（能夠執行全部指令，使用全部資源以及改變 CPU 狀態）和用戶態（只能執行非特權指令）。

CPU 的系統態和用戶態之間的切換。

進程間通信

當進程之間須要數據傳輸、共享數據時，進程間就須要互相通信，通信方式有以下幾種，這裏只是簡單歸納一下，不展開講，咱的重點在於多線程，進程我們簡單瞭解一下就能夠，感興趣的同窗能夠根據要點進行深刻學習。

管道（Pipe）

管道是半雙工通信，數據是單向流動，要創建進程間互相通信，則須要 2 個管道，這種通信方式只能在親戚關係的進程間使用，好比父子進程。

流管道（Flow Pipe）

流管道是管道進化來的，數據再也不是單向流動，能夠雙向流動，可是依舊是隻能在親戚關係的進程間使用。

有名管道（Named Pipe）

有名管道提供了新的功能，就是給管道設置名字，它改善了上面 2 種管道通信方式，支持了非親戚關係的進程通信。

信號量（Semophore）

信號量至關於計數器，利用它來控制多個進程訪問共享資源，當一個進程A在訪問共享資源時，信號量防止其餘進程來訪問，只有當進程A不訪問共享資源了，其餘進程才能訪問。

信號（Signal）

信號能夠在任什麼時候候發給某一進程，不須要知道該進程當前的狀態，若是對方進程未執行，信號會存在內核中，直到進程執行後傳遞給它；若是對方進程是阻塞，則信號會延遲傳遞，等到對方進程阻塞取消後才傳遞給它。

消息隊列（Message Queue）

消息隊列是存放在內核中的鏈表，能夠有多個進程對這個鏈表進行寫入和讀取，它解決了信號傳遞信息少、管道只能傳輸無格式字節流和緩衝區大小受限的缺點。目前有 POSIX 消息隊列和 System V 消息隊列。

共享內存（Shared Memory）

共享內存即爲一段能被其餘進程訪問的內存，多個進程訪問同一個內存，達到了通信的效果。

套接字（Socket）

套接字就是咱們網絡編程裏面的那個套接字，能夠經過網絡也能夠在本機進行通訊，它的好處在於能夠跨主機進行通訊。

總結

總的來講，進程是程序在一個數據集上的一次執行過程，它就是程序運行起來的表現。這是咱們學習多線程的開篇，但願經過這篇文章，讓你們簡單地瞭解進程是什麼，後面咱們再來深刻了解多線程。

推薦閱讀

設計模式看了又忘，忘了又看？

公衆號後臺回覆『設計模式』能夠獲取《一故事一設計模式》電子書

以爲文章有用幫忙轉發&點贊，多謝朋友們！