網路程式設計基礎【day10】：我是一個程序（三）
阿新 • • 發佈：2018-11-02
一、引子
我聽說我的祖先們生活在專用計算機裡， 一生只幫助人類做一件事情，比說微積分運算 了、人口統計了 、生成密碼、甚至通過織布機印花 ！如果你想在這些專用“計算機”上乾點別的事兒，例如安裝個遊戲玩玩， 那是絕對不可能的， 除非你把它拆掉， 然後建一個全新的機器。 而我這些祖先們勉強可以稱為“程式”。
後來有個叫馮諾依曼的人， 非常了不起， 他提出了“儲存程式”的思想， 並且把計算機分為五大部件： 運算器、控制器、儲存器、輸入裝置、輸出裝置。
各種各樣不同功能的程式寫好以後，和程式使用的資料一起存放在計算機的儲存器中，即“儲存程式”；然後，計算機按照儲存的程式逐條取出指令加以分析，並執行指令所規定的操作。
這樣一來，原來的專用計算機變成了通用的計算機，不管你是計算導彈彈道的，模擬核爆炸的，還是計算個人所得稅的， 統統都可以在一臺機器上執行， 我就是其中的一員： 專門計算員工的薪水。
二、程序的誕生
每個月末是發薪日， 我都要執行一次，這樣我每月都能見一次CPU阿甘， 這個沉默寡言，但是跑的非常快的傢伙。
我知道記憶體看阿甘不順眼，還告了它一狀，說他一遇到IO操作的時候，就歇著喝茶 ，從來不管不問記憶體和硬碟的忙的要死的慘境。 （碼農翻身注：參見《 CPU阿甘》和《 CPU阿甘之煩惱》）
其實我倒是覺得挺好， 這時候正好和阿甘海闊天空的聊天，他閱程式無數， 知道很多內部訊息，每一個位元組都清清楚楚， 和他聊天實在是爽。
又到了月末發薪水的時候， 我剛一進入記憶體，便看到這麼一個公告：
公告
為了建立和諧社會，促進效率和公平， 充分發揮每一個人的能力，經系統黨委慎重研究決定：本系統自即日起，正式從“批處理系統”轉為“多道程式系統”， 希望各部門通力配合，一起完成切換工作。
系統黨委
xxxx年xx月xx日 和之前一樣，執行到了第13869123行，這是個IO指令， 我歡天喜地的準備和阿甘開聊了。
阿甘說： 哥們， 準備儲存現場吧， 我要切換到另外一個程式來執行啦！
“啊 ？ 我這正執行著呢！ 咱們不喝茶了？
“喝啥茶啊，馬上另外一個程式就來了!”
" 那我什麼時候回來再見你？” 我問道。
“等這個IO指令完成，然後作業系統老大會再給你機會執行的。”
“那誰來記住我當前正在執行第13869123行？ 還有剛把兩個資料從記憶體裝載到了你的暫存器，就是那個EAX, EBX , 你一切換豈不都丟了？ ” 我有點著急。
阿甘說：“所以要暫時儲存起來啊， 不僅僅是這些，還有你的那些函式在呼叫過程中形成的棧幀和棧頂， 我這裡用暫存器EBP和ESP維護著， 都得儲存起來。”（碼農翻身注：參見《 CPU阿甘之函式呼叫的祕密》）
“還有” 阿甘接著說，“你開啟的檔案控制代碼，你的程式段和資料段的地址， 你已經使用CPU的時間，等待CPU的時間。。。。。。 以及其他好多好多的東西，統統都要儲存下來。”
我瞪大了眼睛： “這也太麻煩了吧， 原來我只需要關心我的指令和資料， 現在還得整這麼多稀奇古怪的東西”
“沒辦法，這就叫做上下文切換， 把你的工作現場儲存好，這樣下一次執行的時候才能恢復啊。 對了，老大給你們統一起了一個新的名稱： 程序 ! 剛才那些需要儲存的東西叫做叫做 程序控制塊 (Processing Control Block， PCB)，”
我想了想，這個名字還挺貼切的， 一個真正進行的程式！ 只是這個正在進行的程式隨時可以被打斷啊。
我只好儲存好上下文，撤出CPU, 回到記憶體裡歇著去了，與此同時另外一個程式開始佔據CPU執行。
其實我這個程式，奧，不對，我這個程序被放到一個阻塞佇列裡，等到IO的資料來了以後，又被趕到了就緒佇列中， 最後才有機會再次執行，再次見到CPU阿甘。（碼農翻身： 程序的就緒, 阻塞，執行這三個狀態的轉換和《 我是一個執行緒》中描述的非常類似）
阿甘從我的PCB中取出各種儲存的資訊，恢復了執行時現場， 可是忙活了好一陣， 沒辦法，這就是程式切換必須要付出的代價。
我有點同情阿甘了， 從此以後，他很難再悠閒和和我們海闊天空，每時每刻都處於高速的奔跑中。
得益於阿甘的高速度， 雖然在同一時刻只有一個程式在執行， 但是有很多程式在短時間內不斷的切換， 在外界看來， 似乎多個程式在同時執行。
尤其是那些速度超慢的人類， 他們開著電腦一邊聽歌，一邊上網，一邊QQ, 很是自在， 理所當然的認為這些程式就是同時在執行。 豈不知阿甘是讓音樂播放器上執行幾十毫秒， 然後打斷，讓瀏覽器程序執行幾十毫秒，再打斷，讓QQ也執行幾十毫秒，如此迴圈往復。
唉，阿甘真是能者多勞啊， 這個計算機系統也算是達到了我們黨委的目標：兼顧了效率和公平。執行緒有了程序就萬事大吉了嗎？ 人類的慾望是無止境的，很快就出現了新情況， 舉個例子來說吧，我有一個兄弟，是個文書處理軟體， 他和我不一樣， 他有介面， 人類在用的時候能看到， 這實在是很幸福， 不像我總是在背後默默工作，幾乎無人知曉。
這哥們有個智慧的小功能，就是在人類編輯文件的時候能自動儲存， 防止辛辛苦苦敲的文字由於斷電什麼的丟掉。
可是這個功能導致了人類的抱怨， 原因很簡單，自動儲存文字是和IO打交道，那硬碟有多慢你也知道， 這個時候整個程序就被掛起了， 給人類的感覺就是： 程式死了，鍵盤和滑鼠不響應了！ 無法繼續輸入文字， 但是過一會兒就好了。
並且這種假死一會兒就會出現一次（每當自動儲存的時候）， 讓人不勝其煩。
系統黨委研究了很久， 他們當然可以用兩個程序來解決問題， 一個程序負責和使用者互動， 另外一個程序負責自動儲存， 但是，這兩個程序之間完全是獨立的，每個人都有自己的一畝三分地（地址空間）， 完全互不知曉， 程序之間通訊的開銷實在是太大， 他們沒有辦法高效的操作那同一份文件資料。 後來還是勞模阿甘想出了一招 ： 可以採用多程序的偉大思想啊！
把一個程序當成一個資源的容器， 讓裡邊執行幾個輕量級的程序， 就叫 執行緒吧， 這些執行緒共享程序的所有資源， 例如地址空間，全域性變數，檔案資源等等。
但是每個執行緒也有自己獨特的部分， 那就是要記住自己執行到哪一行指令了， 有自己的函式呼叫堆疊，自己的狀態等等， 總而言之，就是為了能像切換程序那樣切換執行緒。
拿我那個哥們的情況來說， 一個程序儲存著文件的資料， 程序中有兩個執行緒， 一個負責和使用者互動， 另外一個專門負責定時的自動儲存， IO導致的阻塞就不會影響另外一個了。
注意，這兩個執行緒都能訪問程序的所有東西， 他們兩個要小心，不要發起衝突才好 -- 這是人類程式設計師要做的事情了， 不歸我們管。爭吵阿甘的建議被採納了， 其實這幾乎是唯一的解決問題方式了， 但是由誰來管理引起了激烈爭吵。
系統黨委有一波人堅持要在使用者空間實現執行緒， 換通俗的話說就是讓那些程序在自個兒內部去管理執行緒， 他們的理由也很充分：你們自己實現了執行緒，可以自己定製自己的排程演算法，多靈活啊；
所有的執行緒切換都在程序內完成， 不用請求我們作業系統核心來處理，效率多高啊；
況且你們可以在那些核心不支援執行緒的作業系統中執行， 移植性多好啊。
我們清楚的知道這是核心想做甩手掌櫃， 因為他們選擇性的忽略了一個致命的問題： 如果由我們實現執行緒，則作業系統核心還是認為我們只是一個程序而已，對裡邊的執行緒一無所知，對程序的排程還是以程序為最小單位。
一旦出現阻塞的系統呼叫，不僅僅阻塞那個執行緒，還會阻塞整個程序！
例如文書處理器那個程序， 如果負責定時儲存的執行緒發起了IO呼叫， 核心會認為，這是由程序發起的，於是就把整個程序給掛起了， 雖然和使用者互動的程序還是可以執行，也被強制的隨著程序掛起來，不響應了， 這多麼悲催啊， 又回到了老問題上去了。
所以我們堅決不能答應， 我們則一致的要求：在核心中實現執行緒 ！ 核心需要知道程序中執行緒的存在，核心需要維護執行緒表，並且負責排程！
黨委的人傲慢的說： 你們不嫌累嗎， 每次建立一個執行緒都得通過我們核心， 多慢啊。
我們說：只有這樣，一個執行緒的IO系統呼叫才不會阻塞我們整個程序啊， 你們完全可以選擇同一個程序的另外一個執行緒去執行。
雙發僵持不下，最後只好妥協， 那就是：混合著實現吧。
使用者空間的程序可以建立執行緒（使用者執行緒）， 核心也會建立執行緒（核心執行緒）， 使用者執行緒對映到核心執行緒上。
問題基本解決了，但也帶來了新的問題，我們的系統也變的越來越複雜， 尤其是程序之間的通訊和執行緒之間的同步， 會那些程式設計師們帶來無窮無盡的煩惱， 這是後話了， 有機會下次再說吧。
注： 本文的插圖來源於《現代作業系統》和《作業系統概念》（恐龍書）這兩本書， 我重畫了一下。 對作業系統感興趣的同學可以看看這兩本書。