python高级（2）—— 基础回顾2

 

回顾知识

一 操作系统的作用：

• 隐藏丑陋复杂的硬件接口，提供良好的抽象接口
• 管理、调度进程，并且将多个进程对硬件的竞争变得有序

 关于操作系统的发展史，可以参考我之前的一篇博文：传送门

 

 

二 多道技术：

产生背景：针对单核，实现并发

现在的主机一般是多核，那么每个核都会利用多道技术有4个cpu，运行于cpu1的某个程序遇到io阻塞，会等到io结束再重新调度，会被调度到4个 cpu中的任意一个，具体由操作系统调度算法决定。

空间上的复用：如内存中同时有多道程序

时间上的复用：复用一个cpu的时间片

遇到io切，占用cpu时间过长也切，核心在于切之前将进程的状态保存下来，这样 才能保证下次切换回来时，能基于上次切走的位置继续运行

 

多进程

什么是进程

正在进行的一个过程或者说一个任务。而负责执行任务则是cpu

进程与程序的区别

程序仅仅只是一堆代码而已，而进程指的是程序的运行过程。

例：

　　想象一位有一手好厨艺的计算机科学家egon正在为他的女儿元昊烘制生日蛋糕。他有做生日蛋糕的食谱，　　厨房里有所需的原料:面粉、鸡蛋、韭菜，蒜泥等。而做蛋糕的食谱就是程序(即用适当形式描述的算法)，计算机科学家就是处理器(cpu)，而做蛋糕的各种原料就是输入数据。进程就是厨师阅读食谱、取来各种原料以及烘制蛋糕等一系列动作的总和

 

 

多进程的并发与并行

 

并发

是伪并行，即看起来是同时运行。单个cpu+多道技术就可以实现并发

例（单核+多道，实现多个进程的并发执行）：

　　我在一个时间段内有很多任务要做，写博客，学习，看书，休息，睡觉等的任务，但我同一时刻只能做一个任务（cpu同一时间只能干一个活），如何才能玩出多个任务并发执行的效果？我写一会儿博客，再看一会儿书，再休息下，再学习，然后再睡觉....这就保证了每个任务都在进行中

 

并行

同时运行，只有具备多个cpu才能实现并行

单核下，可以利用多道技术，多个核，每个核也都可以利用多道技术（多道技术是针对单核而言的），有四个核，六个任务，这样同一时间有四个任务被执行，假设分别被分配给了cpu1，cpu2，cpu3，cpu4，一旦任务1遇到I/O就被迫中断执行，此时任务5就拿到cpu1的时间片去执行，这就是单核下的多道技术，而一旦任务1的I/O结束了，操作系统会重新调用它(需知进程的调度、分配给哪个cpu运行，由操作系统说了算)，可能被分配给四个cpu中的任意一个去执行

例：

　　还是上面那个例子，我在一个时间段内有很多任务要做，写博客，学习，看书，休息，睡觉等的任务，然后我学会儿火影忍者里的隐分身术，实现多个我在同一时间完成不同的任务

 

进程的创建与终止

创建：

 

只要是，都需要有操作系统去管理，只要有操作系统，就有进程的概念，就需要有创建进程的方式，一些操作系统只为一个应用程序设计，比如微波炉中的控制器，一旦启动微波炉，所有的进程都已经存在。

 

对于通用系统（跑很多应用程序），需要有系统运行过程中创建或撤销进程的能力，主要分为4中形式创建新的进程：

1. 系统初始化（查看进程linux中用ps命令，windows中用任务管理器，前台进程负责与用户交互，后台运行的进程与用户无关，运行在后台并且只在需要时才唤醒的进程，称为守护进程，如电子邮件、web页面、新闻、打印）

2. 一个进程在运行过程中开启了子进程（如nginx开启多进程，os.fork,subprocess.Popen等）

3. 用户的交互式请求，而创建一个新进程（如用户双击暴风影音）

4. 一个批处理作业的初始化（只在大型机的批处理系统中应用）

无论哪一种，新进程的创建都是由一个已经存在的进程执行了一个用于创建进程的系统调用而创建的：

1. 在UNIX中该系统调用是：fork，fork会创建一个与父进程一模一样的副本，二者有相同的存储映像、同样的环境字符串和同样的打开文件（在shell解释器进程中，执行一个命令就会创建一个子进程）

2. 在windows中该系统调用是：CreateProcess，CreateProcess既处理进程的创建，也负责把正确的程序装入新进程。

 

在UNIX和windows平台下创建的子进程：

相同的是：进程创建后，父进程和子进程有各自不同的地址空间（多道技术要求物理层面实现进程之间内存的隔离），任何一个进程的在其地址空间中的修改都不会影响到另外一个进程。

不同的是：在UNIX中，子进程的初始地址空间是父进程的一个副本，提示：子进程和父进程是可以有只读的共享内存区的。但是对于windows系统来说，从一开始父进程与子进程的地址空间就是不同的。

 

终止

 

• 正常退出（自愿，如用户点击交互式页面的叉号，或程序执行完毕调用发起系统调用正常退出，在linux中用exit，在windows中用ExitProcess）

• 出错退出（自愿，python a.py中a.py不存在）

• 严重错误（非自愿，执行非法指令，如引用不存在的内存，1/0等，可以捕捉异常，try...except...）

• 被其他进程杀死（非自愿，如kill -9）

 

进程的层次结构

 

无论UNIX还是windows，进程只有一个父进程，不同的是：

1. 在UNIX中所有的进程，都是以init进程为根，组成树形结构。父子进程共同组成一个进程组，这样，当从键盘发出一个信号时，该信号被送给当前与键盘相关的进程组中的所有成员。

2. 在windows中，没有进程层次的概念，所有的进程都是地位相同的，唯一类似于进程层次的暗示，是在创建进程时，父进程得到一个特别的令牌（称为句柄）,该句柄可以用来控制子进程，但是父进程有权把该句柄传给其他子进程，这样就没有层次了。

 

进程的状态

tail -f access.log |grep '404'，执行程序tail，开启一个子进程，执行程序grep，开启另外一个子进程，两个进程之间基于管道'|'通讯，将tail的结果作为grep的输入。

进程grep在等待输入（即I/O）时的状态称为阻塞，此时grep命令都无法运行

 

其实在两种情况下会导致一个进程在逻辑上不能运行：

1. 进程挂起是自身原因，遇到I/O阻塞，便要让出CPU让其他进程去执行，这样保证CPU一直在工作

2. 与进程无关，是操作系统层面，可能会因为一个进程占用时间过多，或者优先级等原因，而调用其他的进程去使用CPU。

因而一个进程由三种状态

进程并发的实现

进程并发的实现在于，硬件中断一个正在运行的进程，把此时进程运行的所有状态保存下来，为此，操作系统维护一张表格，即进程表（process table），每个进程占用一个进程表项（这些表项也称为进程控制块）

该表存放了进程状态的重要信息：程序计数器、堆栈指针、内存分配状况、所有打开文件的状态、帐号和调度信息，以及其他在进程由运行态转为就绪态或阻塞态时，必须保存的信息，从而保证该进程在再次启动时，就像从未被中断过一样

 

线程

在传统操作系统中，每个进程有一个地址空间，而且默认就有一个控制线程

线程顾名思义，就是一条流水线工作的过程（流水线的工作需要电源，电源就相当于cpu），而一条流水线必须属于一个车间，一个车间的工作过程是一个进程，车间负责把资源整合到一起，是一个资源单位，而一个车间内至少有一条流水线

 

进程与线程的区别：

• 进程只是用来把资源集中到一起（进程只是一个资源单位，或者说资源集合），而线程才是cpu上的执行单位
• 同一个进程内的多个线程共享该进程内的地址资源
• 创建线程的开销要远小于创建进程的开销（创建一个进程，就是创建一个车间，涉及到申请空间，而且在该空间内建至少一条流水线，但创建线程，就只是在一个车间内造一条流水线，无需申请空间，所以创建开销小）

 

多线程：

多线程（即多个控制线程）的概念是，在一个进程中存在多个线程，多个线程共享该进程的地址空间，相当于一个车间内有多条流水线，都共用一个车间的资源

 

然后线程也有如下三种状态

 

 

对于单线程下，我们不可避免程序中出现io操作，但如果我们能在自己的程序中（即用户程序级别，而非操作系统级别）控制单线程下的多个任务能在一个任务遇到io阻塞时就切换到另外一个任务去计算，这样就保证了该线程能够最大限度地处于就绪态，即随时都可以被cpu执行的状态，相当于我们在用户程序级别将自己的io操作最大限度地隐藏起来，从而可以迷惑操作系统，让其看到：该线程好像是一直在计算，io比较少，从而更多的将cpu的执行权限分配给我们的线程

协程：

 是单线程下的并发，又称微线程，纤程。英文名Coroutine，协程是一种用户态的轻量级线程，即协程是由用户程序自己控制调度的

 

 特点：

• 必须在只有一个单线程里实现并发
• 修改共享数据不需加锁
• 用户程序里自己保存多个控制流的上下文栈
• 附加：一个协程遇到IO操作自动切换到其它协程（如何实现检测IO，yield、greenlet都无法实现，就用到了gevent模块（select机制）

以上的都是回顾理论，代码实现暂且略