java线程1

柔光的暖阳◎ 2023-10-09 11:22 22阅读 0赞

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文章首发：[进程知多少？][Link 1]

### 文章目录 ###

*   *  进程为什么出现？
     *  进程的组成
     *  如何竞争资源（调度算法）
        
         *  FCFS
         *  RR
         *  SPN
         *  SRT
         *  HRRN
         *  FB
     *  进程状态
        
         *  三态图
         *  五态图
         *  七态图
     *  进程关系
        
         *  父子关系
         *  僵尸进程
         *  孤儿进程
     *  执行模式
     *  进程间通讯
        
         *  管道（Pipe）
         *  流管道（Flow Pipe）
         *  有名管道（Named Pipe）
         *  信号量（Semophore）
         *  信号（Signal）
         *  消息队列（Message Queue）
         *  共享内存（Shared Memory）
         *  套接字（Socket）
     *  总结

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> Java 多线程系列文章第 1 篇

要讲线程，一般都得讲一讲进程，进程是何方神圣呢？下面来简单介绍一下。

先通过任务管理器看看 Windows 系统下的进程。

![6d219a1b742d4d87a3b8721999843cbf_0063_02.jpg][]

从图片来看，每一个进程都占有 CPU、内存、磁盘、网络等资源。**站在操作系统的角度，进程是分配资源的基本单位，也是最小单位**。

## 进程为什么出现？ ##

引入进程的目的：**为了使多个程序能并发执行，以提高资源的利用率和系统的吞吐量**。怎么理解这句话呢？一个程序在运行过程中会涉及很多操作，利用 CPU 计算、通过磁盘 IO 进行数据传输等等，我们知道当程序在进行磁盘 IO 的时候，因为速度问题，会比较慢，所在在这个过程中 CPU 会空闲下来，这会造成资源的浪费，正因为引入进程，在 A 进程进行磁盘 IO 的时候，会让出 CPU 给 B 进程，合理地利用了 CPU 资源，使得程序之间可以并发执行。

从 CPU 角度，执行过程是这样子的：CPU 一直在负责执行指令，进程之间互相竞争 CPU 资源，下图有 A 和 B 进程，在一个时间点，CPU 只执行一个进程的指令，因为 CPU 运行很快，所以在咱们看起来，像是多个进程在同时跑。这就是进程带来的好处：**提高资源利用率，并发地执行多个程序**。

当然引入进程也不是有益无害，它增加了系统的**时间**和**空间**开销。空间开销这个好理解，进程有自己的组成部分（下面会讲），这个就占用了空间。时间开销则是进程切换需要时间。

![eae39f00d0af4fbc873b98792edb2484_0063_05.jpg][]

## 进程的组成 ##

进程由 3 个部分组成，分别是**程序代码**、**数据集、栈**和**进程控制块（Process Control Block）**。

各自的作用如下：

1.  **程序代码**：描述了进程需要完成的功能。
2.  **数据集、栈**：程序在执行时所需要的数据和工作区。
3.  **进程控制块**：包含进程的描述信息和控制信息，它是进程存在的唯一标识。

## 如何竞争资源（调度算法） ##

进程之间需要竞争资源，一般都是竞争 CPU 资源，因为 CPU 运行速度太快了，其他介质都赶不上。有了竞争就需要有规则，就像游戏一样，每个游戏都需要规则，不同规则会有不同的侧重点，这个看过“最强大脑”这个节目的朋友就非常清楚，每道题都有不同的考核侧重点，有些是侧重空间思维、有些侧重逻辑推算等等。下面我们就简单地一一讲解竞争资源的游戏规则。

### FCFS ###

**First In First Out（先来先服务）**：最先进入就绪队列的进程，先运行，运行到完成或者阻塞时，再重新调度。一般情况下，这种调度算法会和优先级策略结合，比如每个优先级一条队列，每条队列中的调度都使用 FCFS。

特点：**简单**、比较**偏于长进程**、相对于其他调度算法**平均周转时间长**。

### RR ###

**Round Robin（轮转）**：进程按提交顺序存在就绪队列，依次轮流占用 CPU 资源，运行一段固定的时间，时间到后如果还没执行完，就继续进入就绪队列队尾，排队等待下次执行。

特点：**公平**、对进程的**响应时间较短**。

### SPN ###

**Shortest Process Next（最短进程优先）**：将预期占用运行时间最短的进程优先执行，直到运行完成或阻塞时，再重新调度。

特点：**有利于短进程**。

### SRT ###

**Shortest Remaining Time（最短剩余时间优先）**：新进程进来时，如果新进程的预计运行时间比当前进程的剩余运行时间更短，就抢占当前进程，

特点：**有利于短进程**，和 SPN 的差别在于**抢占**这个一点，因为抢占，所以效率会比 SPN 好一些。

### HRRN ###

**Highest Response Ratio Next（最高响应比优先）**：当前运行的进程完成或者阻塞时发生调度，每次调度前，计算所有就绪进程的响应比，响应比高的进程优先运行。

响应比公式如下所示：

![623a001261014c5ca8391a5e5e8bd535_0063_06.jpg][]

特点：**有利于短进程**，**服务时间相同的进程，先来的服务会优先执行**，**长进程因为在等待的过程中，优先级越来越高，所以不会一直不执行**。

### FB ###

**Feedback （反馈）**：由多个就绪队列组成的反馈机制，它有如下规则：

1.  在同一个队列的进程，按 FCFS 算法调度，最后一个就绪队列按 RR 算法调度；
2.  优先级越高的队列，时间片越小；
3.  进程在一个时间片内未运行完，则降到下一个队列末尾；
4.  只有上级队列无就绪进程时，才运行本级就绪队列，本级就绪队列无进程时，才运行下级就绪队列，以此类推

进程执行过程如下图所示

![c4793a3e287b4b348165a92b309e198f_0063_07.jpg][]

特点：**短进程有非常大的优势，排在前面的队列都是时间较短的**。

以上就是几个抢占资源的调度算法的说明。

## 进程状态 ##

上面我们讲到，进程之间是在竞争资源，得到资源就运行，没得到就等待，这个需要有状态来维护，像很多系统一样，需要一个状态机。

### 三态图 ###

三态图也是描述进程状态最简单最基础的图，它包含了进程的最基本的 3 个状态，分别是：就绪态、运行态和阻塞态。

**Read（就绪态）**：进程已得到除 CPU 以外的其他所需资源。  
**Running（运行态）**：进程的指令正被执行。  
**Blocked（阻塞态）**：进程正等待资源或某事件发生。

![进程三态图][f7d9615c2c6e4b9ea8ab8b49ffeab991_0063_10.jpg]

**就绪态**的进程在被调度的时候，进入了**运行态**，如果时间片运行完或者有更高级别进程抢占资源，则变成**就绪态**等待再次被调度；如果发生事件（比如 IO 事件），则从**运行态**转到**阻塞态**，进入**阻塞态**的进程只能等待事件解除重新进入**就绪态**。

### 五态图 ###

基于三态图，新增了 2 个状态，分别是：新建态和退出态。

**New（新建态）**：进程正被创建。分配内存后将被设为就绪态。

**Exit（退出态）**：进程已正常结束或出现异常结束。回收资源。

![进程五态图][6c51868bc22d433a8f9fd703ebd8ba3a_0063_09.jpg]

新进程刚创建还没有分配资源的时候是**新建态**，等到分配了资源，被加载后就进入**就绪态**。当进程运行完后，就从**运行态**进入**退出态**。

### 七态图 ###

基于五态图，新增了 2 种挂起态，分别是就绪挂起态和阻塞挂起态。

**就绪挂起态**：另叫外存就绪态。由于内存容量有限，将原位于内存的**就绪进程**转存到外存（磁盘）上。

**阻塞挂起态**：另叫外存阻塞态。一样因为内存容量有限，将原位于内存的**阻塞进程**转存到外存（磁盘）上。

![七态图][438fc37c874845e69a85068dd1a5edfc_0063_08.jpg]

我们可以看出，图中新增了**解除挂起**的状态转换过程，一般是由于挂起进程优先级比较高或者内存空间足够，把位于外存（磁盘）的进程转存到内存中。

## 进程关系 ##

进程之间其实比较独立，比如我们在日常使用的 QQ 和微信，它们运行起来的进程有什么关系么？其实除了互相竞争资源之外，没有任何关系。

### 父子关系 ###

虽然上面说的进程之间没有关系，但是有一个特殊关系需要讲，就是**父子关系**。

先做个试验，验证进程的父子关系。操作步骤：

1.  打开 CMD 命令行程序，将当前的窗口设置为 Father，在 Father 窗口通过命令`start cmd`启动另一个 CMD 命令行程序；
2.  将新开的 CMD 命令行程序的窗口设置为 Son，在 Son 窗口通过命令`start cmd`启动另一个 CMD 命令行程序；
3.  将新开的 CMD 命令行程序的窗口设置为 Grandson。

操作过程如下图所示。

![d8bd7ca9f741421bae44086e46017e38_0063_03.jpg][]

通过 ProcessExplorer 可以很清晰看到这 3 个 CMD 进程之间的关系。（想要 ProcessExplorer 插件可以通过百度网盘下载链接：[https://pan.baidu.com/s/19531gf5tD\_of1CWxpFR9Dg][https_pan.baidu.com_s_19531gf5tD_of1CWxpFR9Dg] 提取码：qhc6）

![724e7560357a453ea0b2436522f465e5_0063_04.jpg][]

我们看到 Father、Son、Grandson 三个进程呈现出我们预料中的树形。那么什么是**父子进程**呢？简单的说就是在进程中创建出新的进程，这个新的进程就是子进程，一个进程可以有多个子进程，但是只能有一个父进程。在 Unix 系统中，父进程通过调用 `fork()` 创建子进程，父子进程有如下特点：

1.  父、子进程并发执行；
2.  父、子进程共享父进程的所有资源；
3.  子进程复制父进程的地址空间，甚至有相同的正文段和程序计数器 PC 值；
4.  利用**写时复制**（Copy On Write）技术减少不必要的复制：fork 时父子共用父空间，当一方试图修改时才复制。

这里重点讲一下**Copy On Write**，使用了这个技术，父进程创建子进程的时候不会复制所有数据到子进程，**省了复制的时间以及减少了大量的内存**。这个复制不是必要的，因为如果应用程序在进程复制之后立即加载新程序，那之前的复制工作就是浪费时间和内存了。

讲了**进程父子关系**，就免不了提一下**僵尸进程**和**孤儿进程**，下面分别介绍一下。

### 僵尸进程 ###

**僵尸进程**：子进程退出后，父进程没有调用 wait 或 waitpid 获取子进程的状态信息，子进程的进程描述符仍保存在系统中，这种进程叫僵尸进程。

僵尸进程的危害：僵尸进程会一直占用进程号，系统能使用的进程号又是有限的，如果有大量的僵尸进程，会因为没有可用进程号导致无法创建新的进程。

### 孤儿进程 ###

**孤儿进程**：父进程结束退出，而它的子进程还在运行，这时的子进程就叫做孤儿进程。孤儿进程就被 init 进程（进程号为 1）收养，init 进程将对孤儿进程完成状态收集工作。

孤儿进程没有危害，因为被 init 进程托管了，init 进程会处理孤儿进程的收集工作。

## 执行模式 ##

指令分为**特权指令**（只能由操作系统内核使用的指令）和**非特权指令**（只能由用户程序使用的指令），因为指令有特权和非特权之分，所以 CPU 也分为 2 种执行模式：**系统态**（可以执行所有指令，使用所有资源以及改变 CPU 状态）和**用户态**（只能执行非特权指令）。

CPU 的系统态和用户态之间的切换。

![8e4c95cdd3984f858dc04027cea864c7_0063_11.jpg][]

## 进程间通讯 ##

当进程之间需要数据传输、共享数据时，进程间就需要互相通讯，通讯方式有如下几种，这里只是简单概括一下，不展开讲，咱的重点在于多线程，进程咱们简单了解一下就可以，感兴趣的同学可以根据要点进行深入学习。

### 管道（Pipe） ###

管道是半双工通讯，数据是单向流动，要建立进程间互相通讯，则需要 2 个管道，这种通讯方式只能在亲戚关系的进程间使用，比如父子进程。

### 流管道（Flow Pipe） ###

流管道是管道进化来的，数据不再是单向流动，可以双向流动，但是依旧是只能在亲戚关系的进程间使用。

### 有名管道（Named Pipe） ###

有名管道提供了新的功能，就是给管道设置名字，它改善了上面 2 种管道通讯方式，支持了非亲戚关系的进程通讯。

### 信号量（Semophore） ###

信号量相当于计数器，利用它来控制多个进程访问共享资源，当一个进程A在访问共享资源时，信号量防止其他进程来访问，只有当进程A不访问共享资源了，其他进程才能访问。

### 信号（Signal） ###

信号可以在任何时候发给某一进程，不需要知道该进程当前的状态，如果对方进程未执行，信号会存在内核中，直到进程执行后传递给它；如果对方进程是阻塞，则信号会延迟传递，等到对方进程阻塞取消后才传递给它。

### 消息队列（Message Queue） ###

消息队列是存放在内核中的链表，可以有多个进程对这个链表进行写入和读取，它解决了信号传递信息少、管道只能传输无格式字节流和缓冲区大小受限的缺点。目前有 POSIX 消息队列和 System V 消息队列。

### 共享内存（Shared Memory） ###

共享内存即为一段能被其他进程访问的内存，多个进程访问同一个内存，达到了通讯的效果。

### 套接字（Socket） ###

套接字就是我们网络编程里面的那个套接字，可以通过网络也可以在本机进行通信，它的好处在于可以跨主机进行通信。

## 总结 ##

总的来说，进程是程序在一个数据集上的一次执行过程，它就是程序运行起来的表现。这是我们学习多线程的开篇，希望通过这篇文章，让大家简单地了解进程是什么，后面我们再来深入了解多线程。

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