進程知多少？

目錄

• 進程為什麼出現？
• 進程的組成
• 如何競爭資源（調度算法）
  • FCFS
  • RR
  • SPN
  • SRT
  • HRRN
  • FB
• 進程狀態
  • 三態圖
  • 五態圖
  • 七態圖
• 進程關係
  • 父子關係
  • 殭屍進程
  • 孤兒進程
• 執行模式
• 進程間通訊
  • 管道（Pipe）
  • 流管道（Flow Pipe）
  • 有名管道（Named Pipe）
  • 信號量（Semophore）
  • 信號（Signal）
  • 消息隊列（Message Queue）
  • 共享內存（Shared Memory）
  • 套接字（Socket）
• 總結

文章首發：進程知多少？

Java 多線程系列文章第 1 篇

要講線程，一般都得講一講進程，進程是何方神聖呢？下面來簡單介紹一下。

先通過任務管理器看看 Windows 系統下的進程。

從圖片來看，每一個進程都佔有 CPU、內存、磁盤、網絡等資源。站在操作系統的角度，進程是分配資源的基本單位，也是最小單位。

進程為什麼出現？

引入進程的目的：為了使多個程序能併發執行，以提高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中會涉及很多操作，利用 CPU 計算、通過磁盤 IO 進行數據傳輸等等，我們知道當程序在進行磁盤 IO 的時候，因為速度問題，會比較慢，所在在這個過程中 CPU 會空閑下來，這會造成資源的浪費，正因為引入進程，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，使得程序之間可以併發執行。

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，因為 CPU 運行很快，所以在咱們看起來，像是多個進程在同時跑。這就是進程帶來的好處：提高資源利用率，併發地執行多個程序。

當然引入進程也不是有益無害，它增加了系統的時間和空間開銷。空間開銷這個好理解，進程有自己的組成部分（下面會講），這個就佔用了空間。時間開銷則是進程切換需要時間。

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）。

各自的作用如下：

1. 程序代碼：描述了進程需要完成的功能。
2. 數據集、棧：程序在執行時所需要的數據和工作區。
3. 進程控制塊：包含進程的描述信息和控制信息，它是進程存在的唯一標識。

如何競爭資源（調度算法）

進程之間需要競爭資源，一般都是競爭 CPU 資源，因為 CPU 運行速度太快了，其他介質都趕不上。有了競爭就需要有規則，就像遊戲一樣，每個遊戲都需要規則，不同規則會有不同的側重點，這個看過“最強大腦”這個節目的朋友就非常清楚，每道題都有不同的考核側重點，有些是側重空間思維、有些側重邏輯推算等等。下面我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）：最先進入就緒隊列的進程，先運行，運行到完成或者阻塞時，再重新調度。一般情況下，這種調度算法會和優先級策略結合，比如每個優先級一條隊列，每條隊列中的調度都使用 FCFS。

特點：簡單、比較偏於長進程、相對於其他調度算法平均周轉時間長。

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，時間到后如果還沒執行完，就繼續進入就緒隊列隊尾，排隊等待下次執行。

特點：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，再重新調度。

特點：有利於短進程。

SRT

Shortest Remaining Time（最短剩餘時間優先）：新進程進來時，如果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，

特點：有利於短進程，和 SPN 的差別在於搶佔這個一點，因為搶佔，所以效率會比 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，計算所有就緒進程的響應比，響應比高的進程優先運行。

響應比公式如下所示：

特點：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，長進程因為在等待的過程中，優先級越來越高，所以不會一直不執行。

FB

Feedback （反饋）：由多個就緒隊列組成的反饋機制，它有如下規則：

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

進程執行過程如下圖所示

特點：短進程有非常大的優勢，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

上面我們講到，進程之間是在競爭資源，得到資源就運行，沒得到就等待，這個需要有狀態來維護，像很多系統一樣，需要一個狀態機。

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）：進程已得到除 CPU 以外的其他所需資源。
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，如果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；如果發生事件（比如 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重新進入就緒態。

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）：進程正被創建。分配內存后將被設為就緒態。

Exit（退出態）：進程已正常結束或出現異常結束。回收資源。

新進程剛創建還沒有分配資源的時候是新建態，等到分配了資源，被加載后就進入就緒態。當進程運行完后，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。由於內存容量有限，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。一樣因為內存容量有限，將原位於內存的阻塞進程轉存到外存（磁盤）上。

我們可以看出，圖中新增了解除掛起的狀態轉換過程，一般是由於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，比如我們在日常使用的 QQ 和微信，它們運行起來的進程有什麼關係么？其實除了互相競爭資源之外，沒有任何關係。

父子關係

雖然上面說的進程之間沒有關係，但是有一個特殊關係需要講，就是父子關係。

先做個試驗，驗證進程的父子關係。操作步驟：

1. 打開 CMD 命令行程序，將當前的窗口設置為 Father，在 Father 窗口通過命令start cmd啟動另一個 CMD 命令行程序；
2. 將新開的 CMD 命令行程序的窗口設置為 Son，在 Son 窗口通過命令start cmd啟動另一個 CMD 命令行程序；
3. 將新開的 CMD 命令行程序的窗口設置為 Grandson。

操作過程如下圖所示。

通過 ProcessExplorer 可以很清晰看到這 3 個 CMD 進程之間的關係。（想要 ProcessExplorer 插件可以通過百度網盤下載鏈接：https://pan.baidu.com/s/19531gf5tD_of1CWxpFR9Dg 提取碼：qhc6）

我們看到 Father、Son、Grandson 三個進程呈現出我們預料中的樹形。那麼什麼是父子進程呢？簡單的說就是在進程中創建出新的進程，這個新的進程就是子進程，一個進程可以有多個子進程，但是只能有一個父進程。在 Unix 系統中，父進程通過調用 fork() 創建子進程，父子進程有如下特點：

1. 父、子進程併發執行；
2. 父、子進程共享父進程的所有資源；
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）技術減少不必要的複製：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，父進程創建子進程的時候不會複製所有數據到子進程，省了複製的時間以及減少了大量的內存。這個複製不是必要的，因為如果應用程序在進程複製之後立即加載新程序，那之前的複製工作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：子進程退出后，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，如果有大量的殭屍進程，會因為沒有可用進程號導致無法創建新的進程。

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，這時的子進程就叫做孤兒進程。孤兒進程就被 init 進程（進程號為 1）收養，init 進程將對孤兒進程完成狀態收集工作。

孤兒進程沒有危害，因為被 init 進程託管了，init 進程會處理孤兒進程的收集工作。

執行模式

指令分為特權指令（只能由操作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），因為指令有特權和非特權之分，所以 CPU 也分為 2 種執行模式：系統態（可以執行所有指令，使用所有資源以及改變 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。

進程間通訊

當進程之間需要數據傳輸、共享數據時，進程間就需要互相通訊，通訊方式有如下幾種，這裏只是簡單概括一下，不展開講，咱的重點在於多線程，進程咱們簡單了解一下就可以，感興趣的同學可以根據要點進行深入學習。

管道（Pipe）

管道是半雙工通訊，數據是單向流動，要建立進程間互相通訊，則需要 2 個管道，這種通訊方式只能在親戚關係的進程間使用，比如父子進程。

流管道（Flow Pipe）

流管道是管道進化來的，數據不再是單向流動，可以雙向流動，但是依舊是只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 種管道通訊方式，支持了非親戚關係的進程通訊。

信號量（Semophore）

信號量相當於計數器，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，信號量防止其他進程來訪問，只有當進程A不訪問共享資源了，其他進程才能訪問。

信號（Signal）

信號可以在任何時候發給某一進程，不需要知道該進程當前的狀態，如果對方進程未執行，信號會存在內核中，直到進程執行後傳遞給它；如果對方進程是阻塞，則信號會延遲傳遞，等到對方進程阻塞取消后才傳遞給它。

消息隊列（Message Queue）

消息隊列是存放在內核中的鏈表，可以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）

共享內存即為一段能被其他進程訪問的內存，多個進程訪問同一個內存，達到了通訊的效果。

套接字（Socket）

套接字就是我們網絡編程裏面的那個套接字，可以通過網絡也可以在本機進行通信，它的好處在於可以跨主機進行通信。

總結

總的來說，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。這是我們學習多線程的開篇，希望通過這篇文章，讓大家簡單地了解進程是什麼，後面我們再來深入了解多線程。

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