網路程式設計之併發程式設計——程序理論

一、什麼是程序

程序：正在進行的一個過程或者說一個任務。而負責執行任務的則是CPU。

二、程序與程式的區別

程式僅僅只是一堆程式碼而已，而程序指的是程式的執行過程。

需要強調的是：同一個程式執行兩次，那也是兩個程序，比如開啟暴風影音，雖然都是同一個軟體，但是一個可以播放蒼進空，一個可以播放飯島愛。

三、併發與並行

無論是並行還是併發，在使用者看來都是“同時”執行的，不管是程序還是執行緒，都只是一個任務而已，真正幹活的是CPU，CPU來做這些任務，而一個CPU同一時刻只能執行一個任務。

1、併發：是偽並行，即看起來是同時執行。單個CPU加上多道技術就可以實現併發。 

舉例（單核+多道，實現多個程序的併發執行）：

egon在一個時間段內有很多工要做：python備課的任務，寫書的任務，交女朋友的任務，王者榮耀上分的任務，但egon同一時刻只能做一個任務（cpu同一時間只能幹一個活），如何才能玩出多個任務併發執行的效果？egon備一會課，再去跟李傑的女朋友聊聊天，再去打一會王者榮耀….這就保證了每個任務都在進行中。

2、並行：同時執行，只有具備多個CPU才能實現並行

單核下，可以利用多道技術，那麼多個核，每個核也都可以利用多道技術（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，作業系統會重新呼叫它(需知程序的排程、分配給哪個cpu執行，由作業系統說了算)，可能被分配給四個cpu中的任意一個去執行。

四、程序的建立（瞭解）

但凡是硬體，都需要有作業系統去管理，只要有作業系統，就有程序的概念，就需要有建立程序的方式，一些作業系統只為一個應用程式設計，比如微波爐中的控制器，一旦啟動微波爐，所有的程序都已經存在。而對於通用系統（跑很多應用程式），需要有系統執行過程中建立或撤銷程序的能力，主要分為4種形式建立新的程序。

1、系統初始化（檢視程序在Linux中用ps命令，windows中用工作管理員，前臺程序負責與使用者互動，後臺執行的程式與使用者無關，執行在後臺並且只在需要時才喚醒的程序，稱為守護程序，如電子郵件，web頁面，新聞，列印）

2、一個程序在執行過程中開啟了子程序（如nginx開啟多程序，os.fork，subprocess.Popen等）

3、使用者的互動式請求，而建立一個新程序（如使用者雙擊暴風影音）

4、一個批處理作業的初始化（只在大型機的批處理系統中應用）

無論哪一種，新程序的建立都是由一個已經存在的程序執行了一個用於建立程序的系統呼叫而建立的：

1、在UNIX中，該系統呼叫的是：fork，fork會建立一個與父程序一模一樣的副本，二者由相同的儲存映像、同樣的環境字串和同樣的開啟檔案（在shell直譯器程序中，執行一個命令就會建立一個子程序）。

2、在windows中該系統呼叫是：CreateProcess，CreateProcess既處理程序的建立，也負責把正確的程式裝入新程序。

關於建立的子程序，UNIX和windows：

1、相同的是：程序建立後，父程序和子程序有各自不同的地址空間（多道技術要求物理層面實現程序之間記憶體的隔離），任何一個程序的在其地址空間中的修改都不會影響到另外一個程序。

2、不同的是：UNIX中，子程序的初始地址空間是父程序的一個副本（提示：子程序和父程序是可以有隻讀的共享記憶體區的。但是對於windows系統來說，從一開始父程序與子程序的地址空間就是不同的。）

五、程序的終止（瞭解）

1、正常退出（自願，如使用者點選互動式頁面的叉號，或程式執行完畢呼叫發起系統呼叫正常退出，在Linux中eixt，在windows中用ExitProcess）。

2、出錯推出（自願，python a.py中a.py不存在）。

3、嚴重錯誤（非自願，執行非法指令，如引用不存在的記憶體，1/0等，可以捕捉異常，try...except...）。

4、被其它程序殺死（非自願，如kill -9）。

六、程序的層次結構

無論UNIX還是windows，程序只有一個父程序，不同的是：

1、在UNIX中所有的程序，都是以init程序為根，組成樹形結構。父子程序共同組成一個程序組，這樣，當從鍵盤發出一個訊號時，該訊號被送給當前與鍵盤相關的程序組中的所有成員。

2、在windows中，沒有程序層次的概念，所有的程序都是地位相同的，唯一類似於程序層次的暗示，是在建立程序時，父程序得到一個特別的令牌（稱為控制代碼），該控制代碼可以用來控制子程序，但是父程序有權把該控制代碼傳給其它子程序，這樣就沒有層次了。

七、程序的狀態

tail -f access.log |grep '404'

執行程式tail，開啟一個子程序，執行程式grep，開啟另外一個子程序，兩個程序之間基於管道|通訊，將tail的結果作為grep的輸入。

程序grep在等待輸入（即I/O）時的狀態稱為阻塞，此時grep命令都無法執行。

其實在兩種情況下會導致一個程序在邏輯上不能執行，

1、程序掛起是自身原因，遇到I/O阻塞，便要讓出CPU讓其它程序去執行，這樣保證CPU一直在工作。

2、與程序無關，是作業系統層面，可能會因為一個程序佔用時間過多，或者優先順序等原因，而呼叫其它的程序去使用CPU。

因而一個程序由三種狀態：

八、程序併發的實現（瞭解）

程序併發的是現在在於，硬體中斷一個正在執行的程序，把此時程序執行的所有狀態儲存下來，為此，作業系統維護一張表格，即程序表（process table），每個程序佔用一個程序表項（這些表項也稱為程序控制塊）

該表存放了程序狀態的重要資訊：程式計數器、堆疊指標、記憶體分配狀況、所有開啟檔案的狀態、賬號和排程資訊，以及其它在程序由執行態轉為就緒態或阻塞態時，必須儲存的資訊，從而保證該程序在再次啟動時，就像從未被中斷過一樣