贰拾柒

一、操作系统发展史

1.1 手工操作--穿孔卡片

​ 20实际五十年代，计算机采用手工操作的方式，那时还没有操作系统的概念。程序员将对应于程序和数据的已穿孔的纸带（或卡片）装入输入机，然后启动输入机把程序和数据输入计算机内存，接着通过控制台开关启动程序针对数据运行；计算完毕，打印机输出计算结果；用户取走结果并卸下纸带（或卡片）后，才让下一个用户上机。

​ 手工操作方式两个特点：

1. 用户独占全机。不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象，但资源的利用率低。
2. CPU 等待手工操作。CPU的利用不充分。

1.2批处理--磁带储存

​ 批处理系统：加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地、成批地处理一个或多个用户的作业（这作业包括程序、数据和命令）。

​ 联机处理：主机与输入机之间增加一个存储设备——磁带，在运行于主机上的监督程序的自动控制下，计算机可自动完成：成批地把输入机上的用户作业读入磁带，依次把磁带上的用户作业读入主机内存并执行并把计算结果向输出机输出。完成了上一批作业后，监督程序又从输入机上输入另一批作业，保存在磁带上，并按上述步骤重复处理。

​ 脱机批处理：为克服与缓解：高速主机与慢速外设的矛盾，提高CPU的利用率，又引入了脱机批处理系统，即输入/输出脱离主机控制。

​ 通过卫星机从输入机上读取用户作业并放到输入磁带上。再从输出磁带上读取执行结果并传给输出机。这样，主机不是直接与慢速的输入/输出设备打交道，而是与速度相对较快的磁带机发生关系，有效缓解了主机与设备的矛盾。主机与卫星机可并行工作，二者分工明确，可以充分发挥主机的高速计算能力。

​ 不足：每次主机内存中仅存放一道作业，每当它运行期间发出输入/输出（I/O）请求后，高速的CPU便处于等待低速的I/O完成状态，致使CPU空闲。

1.3 多道程序系统

​ 20世纪60年代中期，在前述的批处理系统中，引入多道程序设计技术后形成多道批处理系统（简称：批处理系统）。

它有两个特点：

1. 多道：系统内可同时容纳多个作业。这些作业放在外存中，组成一个后备队列，系统按一定的调度原则每次从后备作业队列中选取一个或多个作业进入内存运行，运行作业结束、退出运行和后备作业进入运行均由系统自动实现，从而在系统中形成一个自动转接的、连续的作业流。
2. 成批：在系统运行过程中，不允许用户与其作业发生交互作用，即：作业一旦进入系统，用户就不能直接干预其作业的运行。

批处理系统的追求目标：提高系统资源利用率和系统吞吐量，以及作业流程的自动化。

批处理系统的一个重要缺点：不提供人机交互能力，给用户使用计算机带来不便。

1.4 分时系统

​ 分时技术：把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。

​ 若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算，则该作业暂时中断，把处理机让给另一作业使用，等待下一轮时再继续其运行。由于计算机速度很快，作业运行轮转得很快，给每个用户的印象是，好象他独占了一台计算机。而每个用户可以通过自己的终端向系统发出各种操作控制命令，在充分的人机交互情况下，完成作业的运行。

​ 具有上述特征的计算机系统称为分时系统，它允许多个用户同时联机使用计算机。
　　
特点：

1. 多路性。若干个用户同时使用一台计算机。微观上看是各用户轮流使用计算机；宏观上看是各用户并行工作。
2. 交互性。用户可根据系统对请求的响应结果，进一步向系统提出新的请求。这种能使用户与系统进行人机对话的工作方式，明显地有别于批处理系统，因而，分时系统又被称为交互式系统。
3. 独立性。用户之间可以相互独立操作，互不干扰。系统保证各用户程序运行的完整性，不会发生相互混淆或破坏现象。
4. 及时性。系统可对用户的输入及时作出响应。分时系统性能的主要指标之一是响应时间，它是指：从终端发出命令到系统予以应答所需的时间。

​ 分时系统的主要目标：对用户响应的及时性，即不至于用户等待每一个命令的处理时间过长。

​ 分时系统可以同时接纳数十个甚至上百个用户，由于内存空间有限，往往采用对换（又称交换）方式的存储方法。即将未“轮到”的作业放入磁盘，一旦“轮到”，再将其调入内存；而时间片用完后，又将作业存回磁盘（俗称“滚进”、“滚出“法），使同一存储区域轮流为多个用户服务。

1.5 实时系统

​ 实时系统系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。

​ 实时系统在一个特定的应用中常作为一种控制设备来使用。

​ 实时系统可分成两类：

1. 实时控制系统。当用于飞机飞行、导弹发射等的自动控制时，要求计算机能尽快处理测量系统测得的数据，及时地对飞机或导弹进行控制，或将有关信息通过显示终端提供给决策人员。当用于轧钢、石化等工业生产过程控制时，也要求计算机能及时处理由各类传感器送来的数据，然后控制相应的执行机构。
2. 实时信息处理系统。当用于预定飞机票、查询有关航班、航线、票价等事宜时，或当用于银行系统、情报检索系统时，都要求计算机能对终端设备发来的服务请求及时予以正确的回答。此类对响应及时性的要求稍弱于第一类。

​ 实时操作系统的主要特点：

1. 及时响应。每一个信息接收、分析处理和发送的过程必须在严格的时间限制内完成。
2. 高可靠性。需采取冗余措施，双机系统前后台工作，也包括必要的保密措施等。

​ 分时——现在流行的PC，服务器都是采用这种运行模式，即把CPU的运行分成若干时间片分别处理不同的运算请求 linux系统。

​ 实时——多用于单片机上、PLC等，比如电梯的上下控制中，对于按键等动作要求进行实时处理。

1.6 通用操作系统

​ 通用操作系统：具有多种类型操作特征的操作系统。可以同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或其中两种以上的功能。

二、进程

2.1 概念

​ 进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统]结构的基础。在早期面向进程设计的计算机结构中，进程是程序的基本执行实体；在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

狭义定义：进程是正在运行的程序的实例（an instance of a computer program that is being executed）。

广义定义：进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它是操作系统动态执行的基本单元，在传统的操作系统中，进程既是基本的分配单元，也是基本的执行单元。

2.2 特征

• 动态性：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的。
• 并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行
• 独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位；
• 异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进
• 结构特征：进程由程序、数据和进程控制块三部分组成。

​ 多个不同的进程可以包含相同的程序：一个程序在不同的数据集里就构成不同的进程，能得到不同的结果；但是执行过程中，程序不能发生改变。

2.3 进程与程序的区别

​ 程序是指令和数据的有序集合，其本身没有任何运行的含义，是一个静态的概念。而进程是程序在处理机上的一次执行过程，它是一个动态的概念。

​ 程序可以作为一种软件资料长期存在，而进程是有一定生命期的。

​ 程序是永久的，进程是暂时的。

​ 注意：同一个程序执行两次，就会在操作系统中出现两个进程，所以我们可以同时运行一个软件，分别做不同的事情也不会混乱。

三、并发与并行

​ 无论是并行还是并发，在用户看来都是'同时'运行的，不管是进程还是线程，都只是一个任务而已，真是干活的是cpu，cpu来做这些任务，而一个cpu同一时刻只能执行一个任务。

​ 一 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，（并行也属于并发）。

​ 二 并行：同时运行，只有具备多个cpu才能实现并行。

四、同步/异步、阻塞/非阻塞

4.1 同步

​ 所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不会返回。按照这个定义，其实绝大多数函数都是同步调用。但是一般而言，我们在说同步、异步的时候，特指那些需要其他部件协作或者需要一定时间完成的任务。

4.2 异步

​ 异步的概念和同步相对。当一个异步功能调用发出后，调用者不能立刻得到结果。当该异步功能完成后，通过状态、通知或回调来通知调用者。如果异步功能用状态来通知，那么调用者就需要每隔一定时间检查一次，效率就很低。如果是使用通知的方式，效率则很高，因为异步功能几乎不需要做额外的操作。至于回调函数，其实和通知没太多区别。

4.3 阻塞

​ 阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起（如遇到io操作）。函数只有在得到结果之后才会将阻塞的线程激活。有人也许会把阻塞调用和同步调用等同起来，实际上他是不同的。对于同步调用来说，很多时候当前线程还是激活的，只是从逻辑上当前函数没有返回而已。

4.4 非阻塞

​ 非阻塞和阻塞的概念相对应，指在不能立刻得到结果之前也会立刻返回，同时该函数不会阻塞当前线程。

五、multiprocessing模块

​ python中的多线程无法利用多核优势，如果想要充分地使用多核CPU的资源（os.cpu_count()查看），在python中大部分情况需要使用多进程。Python提供了multiprocessing。
​ multiprocessing模块用来开启子进程，并在子进程中执行我们定制的任务（比如函数），该模块与多线程模块threading的编程接口类似。

　 multiprocessing模块的功能众多：支持子进程、通信和共享数据、执行不同形式的同步，提供了Process、Queue、Pipe、Lock等组件。

​ 需要再次强调的一点是：与线程不同，进程没有任何共享状态，进程修改的数据，改动仅限于该进程内。

六、Process类的介绍

6.1 创建进程的类

Process([group[,target[,name[,arges[,kwargs]]]]])

1. group参数未使用，始终未None
2. target表示调用对象，即子进程要执行任务
3. name位子进程名称
4. args表示调用对象的位置参数元组
5. wkargs表示调用对象的字典

6.2 方法介绍

1. .star():启动进程，并调用子进程中的p.run()。

2. .run():进程启动时的方法，调用target指定函数，自定义的类中一定要实现该方法。

3. .terminata():强制终止进程

4. .is_alive():如果p仍然运行，返回True

5. .join([timeout]):主线程等待p终止(强调：是主线程处于等的状态，而是p处于运行状态)。timeout是可选的超时时间，需要强调的是，.join只能join住start开启的进程，而不能join住run开启的进程。

6.3 属性介绍

1. .damon:默认值为False，如果为True，代表p为后台运行的守护进程，当p的父进程终止时，p也随之种植，并且设定为True之后，p不能创建自己的新进程，必须在p.start()之前设置。
2. .name:进程名称
3. .pid:进程的pid
4. .exitcode:进程在运行时为None，如果为-N，表示信号被N结束了
5. .authkey：进程身份验证键

6.4 类的使用

​ 注意windows中Process()必须放在if _name_ == “__main __”中

​ 开启子进程的方法一：

from multiprocessing import Process
import time

def task(x):
    print(f'子进程{x} start')
    time.sleep(2)
    print(f'子进程{x} end')
    
if __name__ = '__main__':
    p1 = Process(target = task,args = ('123'))
    p2 = Process(target = task,args = ('456'))
    p1.start()
    p2.start()
    time.sleep(5)
    print('主进程/父进程')

​ 开启子进程的方法二：

form multiprocessing import Process
import time
class Test(Process):
    def __init__(self,sex):
        super().__init__()
        self.age = age
    def run(self):
        print(f'子进程{self.age}start')
        time.sleep(2)
        print('子进程 end')
if __name__ = '__main__':
    p = Test('25')
	p.start()
    print('主进程')

​ 进程直接进的内存空间是隔离的

from multiprocess import Process
n = 100
def work():
    global n
    n = 0
    print('子进程内：',n)
    
if__name__ = '__main__':
    p = Process(target = work)
    p.start()
    print('主进程内：',n)

​ 僵尸进程：

​ 一个进程使用fork创建子进程，如果子进程退出，而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵死进程。

​ 孤儿进程：

​ 一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养，并由init进程对它们完成状态收集工作。

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