Java并发编程之进程

引入

操作系统中最核心的概念是进程：这是对正在运行程序的一个抽象。一个进程就是一个正在执行程序的实例、包括程序计数器、寄存器和变量的当前值。在多道程序设计中，一个 CPU 能在多个进程之间来回快速切换，达到（伪）并行效果。一个进程是某种类型的一个活动，它有程序、输入、输出以及状态。

操作系统的关键抽象：

内存大小有限，操作系统会为每个进程分配独立的虚拟地址空间。虚拟地址空间会映射到物理地址空间。JAVA虚拟机和VMWARE并没有CPU，硬盘等，可以说是一个软的虚拟机。

比喻 ： 厨师做蛋糕

• 做蛋糕的食谱： 程序
• 做蛋糕的原料：输入数据
• 厨师： CPU

• 厨师阅读食谱，用原料做蛋糕的一系列动作的总和： 进程

• 厨师的儿子跑进了，说是被蜜蜂蛰了

  • 厨师记录下当前做到哪一步了（保存当前进程状态）
  • 拿出急救手册，按其中的指示进行处理（开始另外一个进程）

进程在虚拟地址存储器中的逻辑布局

每个进程都有一个虚拟的地址空间， 这个地址空间是分块的。

程序运行中使用了多个寄存器，但是CPU只有一套寄存器。进程切换，寄存器的值需要保存在内存中，否则会被其他进程冲掉。

内存中的进程

struct task_struct{    pid_t pid; //进程号    long state;  //状态    cputime_t utime, stime;     // cpu在用户态和核心态下                                                        执行的时间    struct  files_struct *files;    //打开的文件    struct mm_struct *mm;    //进程使用的内存    ......}

进程的状态

运行–>>就绪: 进程在CPU中时间片用完
运行–>>等待：IO操作等。 等待就是说放入CPU维护的一个队列中去，根本没有占用cpu，真正占用CPU的是运行中的进程。

进程调度：到底谁应该占据CPU

• 非抢占式
  
  • 调度程序一旦把 CPU分配给某一进程后便让它一直运行下去, 直到进程完成或发生某事件而不能运行时，才将CPU分给其它进程。
  • 适用于批处理系统
  • 简单、系统开销小。
• 抢占式
  
  • 当一个进程正在执行时，系统可以基于某种策略剥夺CPU给其它进程。剥夺的原则有： 优先权原则、短进程优先原则、时间片原则
  • 适用于交互式系统

进程调度：评价标准

• 公平

  • 合理的分配CPU

• 响应时间短

  • 响应时间: 从用户输入到产生反应的时间

• 吐量大

  • 吞吐量: 单位时间完成的任务数量

• 但是， 这些目标是矛盾的！

批处理系统中的调度

• 先来先服务

  • 公平、简单(FIFO队列)、非抢占、不适合交互式

• 最短作业优先

  • 系统的平均等待时间最短
  • 但是需要预先知道每个任务的运行时间

交互式调度策略(1) ：轮转

• 每个进程分配一个固定的时间片

• 假设进程切换一次的开销为1ms

• 时间片为4ms

  • 20%的时间浪费在切换上
• 时间片为100ms
  
  • 浪费只有1%， 但是假设有50个进程， 最后一个需要等待5秒 ！

交互式系统调度策略（2）：优先级

缺点：低优先级的进程可能会被饿死（永远得不到执行）。

调度策略（3）：多级队列反馈

每个级别都有若干进程，每次执行都选择高优先级的进程执行，高优先级执行完了在执行低优先级。每一个进程执行完放到同一队列的尾部，同一级别采用时间片轮转策略。优先级高分配的时间短。还是会出现低优先级饿死，任务的优先级随着等待的时间增长优先级不断增高，动态调整。

进程间同步

生产者进程向队列中加入文件，消费者进程从队列中取走文件

生产消费模型代码实现：

• 多进程情况下， 共享变量counter会出错！

• 上图中 regist 类比成 寄存器
• 对一个变量的操作，编译成机器码会是多行代码。所以我们在JAVA中写的count++不是一个原子操作。乱序执行的情况下就会出问题。

反思一下

• 问题的核心

  • 不可控制的调度
  • 在机器层面， counter++, counter– 并不是原子操作

• 临界区

  • 访问/修改共享资源（变量， 表，文件。。。）
  • 当进程进入临界区时，不允许其他进程在临界
    区执行

解决临界区问题

解决临界区问题(1)：暴力手段，关闭中断

• CPU 收到时钟中断以后，会检查当前进程的时间片是否用完， 用完则切换。

• 在进程P进入临界区之前，通知OS, 不要做进程切换不就行了！

  • 关闭中断 (时钟中断)， 这样CPU就不会被打断
  • 离开临界区，一定要记住打开中断
  • 但是，把中断操作开放给应用程序是非常危险的。会让宕机。

解决临界区问题(2)：用硬件指令来实现锁

- 上图三条代码是原子的

为了确保原子性，系统会锁住总线，禁止其他CPU在函数执行完之前去访问内存

解决临界区问题(3)：信号量

信号量S是个整数变量，除了初始化外，有两个操作，wait(), signal()
或者是P/V , 或者 down/up。

伪代码：

为了确保信号量能工作，需要用一种“原子”的方式实现它

解决临界区问题(5)：不能忙等

list维护了一个等待进程列表。不像上一种方式在锁住的情况下，进程虽然获得了时间片但是什么事也干不了。通过维护一个等待进程列表解决了忙等问题。

解决临界区问题(6)：用信号量解决打印问题

思考

• 两个进程之间是怎么共享变量的？
  两个进程之间通过操作系统内核共享数据