【JavaEE初阶】进程篇

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    写在前面

          一、操作系统

          二、进程

              2.1 进程的概念

              2.2 进程的管理

              2.3 PCB

                        2.3.1 PCB里面的一些属性

                        2.3.2 进程的调度

                        2.3.3 进程的虚拟地址空间

                        2.3.4 进程间通信

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写在前面

本篇博客主要介绍的是 计算机操作系统方面的知识，在看完本篇博客之后，我们需要知道：操作系统是什么，其核心功能又是什么；进程是什么，进程又是如何去管理、调度的；PCB里面有什么；进程的虚拟地址空间又是啥；以及进程间的通信又是怎么回事~~

下面，就让我们进入到正文吧~~

一、操作系统

像之前所说的，CPU、存储器、输入设备、输出设备，

总体上来说，都属于 "硬件" 设备！！！ 

而对于咱们普通用户，和硬件打交道，并不是一件方便的事情~~

为了可以更好的和这些 "硬件" 设备打交道，聪明的程序员发明了一个 "软件"  —— 操作系统~~

操作系统的核心功能：

1. 对下，要管理各种硬件设备
2. 对上，要给各种软件提供稳定的运行环境

如：Windows、Mac、Android、IOS 都是操作系统，虽然厂商不同，细节上有所差别，但是核心操作都是这两条~~

如：张三在QQ中写一段话，点击发送，这个过程 就是操作系统在进行工作~~

操作系统本身就是一个非常复杂的软件~~ 

如：内存管理、文件管理、设备管理、进程管理、......

其中，"进程管理" 是一个非常重要的概念，作为程序员，就必须要去深入了解它~~

二、进程

2.1 进程的概念

"进程（process）" 是操作系统里面的一个非常重要的概念，虽然 可能在不同的操作系统里面的叫法也许会有所差别，叫做 "任务（task）" ，但是其实它们都是一个意思~~

一个正在运行的程序，都是以 "进程" 的方式来体现出来的~~

通过双击 可执行文件（.exe文件），操作系统就会把 可执行文件的核心信息 加载到内存上，并且开始运行里面的代码，从而形成了一个进程，这个进程 就是可执行程序跑起来的模样~~

现在的电脑，可以有多个进程一起执行起来的，可以打开任务管理器，看看此时电脑的进程：

大家需要注意区分，"进程" 和 "程序（可执行文件）"  之间的区别：

如：

这是一个 进程，是QQ所跑起来的模样（是动态的，被加载到内存中的）~~

 这是一个 可执行文件，是静态的，躺在硬盘上的~~

换句话说，一个计算机的硬盘上，可能会躺着很多的可执行文件~~

同一时刻，可能只有一小部分在运行（变成了进程）~~

2.2 进程的管理

一个操作系统上，同时跑着许多个进程~~

有的是自己双击过后打开的进程（如：QQ），还有的是电脑一开机 操作系统自动打开的进程~~

既然有这么多的进程，操作系统就需要对它们进行管理，把它们安排的明明白白~~

管理 的思路就是：先描述再组织~~

1. 先描述：使用一个类/结构体，把这个东西有啥特征 都表示出来~~
2. 再组织：使用一个数据结构，把很多个这样的 对象/结构体 给整理到一起~~

比如说，现在有一个需求场景：需要给正在好好学习的同学发奖品

那么，首先需要把这些同学的信息给描述出来，虽然信息有很多，但是 此时我们只需要知道 这些同学的学号、姓名就可以了（至于说同学的性别、身高、体重啥的都不关心）；

然后就可以用一些数据结构 把这些同学整理到一起，然后就可以发奖品啦~~ 

类似的，操作系统在进行管理进程的时候，首先用一个 结构体 把很多进程相关的特征 都去进行了一些表示；再用数据结构把这些结构体变量组织在一起~~

2.3 PCB

PCB，叫做 "进程控制块" ~

它就是一个结构体，这个结构体里就包含了一些表示进程的核心信息~

在操作系统内核中，就把若干 PCB 串成了一个双向链表~

这就是进程管理的核心模块~

在任务管理器中，看到了许多的进程，本质上 每一个进程都是一个 PCB，

进程与进程之间 是通过双向链表串起来的，

当我们运行一个进程，就是在链表里面 新增一个节点，

当我们销毁一个进程，就是在链表里面 删除一个节点~

2.3.1 PCB里面的一些属性

pid：进程的身份标识，唯一，类似于 "学号"~~

内存指针：操作系统要把一些必要的数据加载到内存中~~

必要的数据：有些是运行的指令（代码），有些是运行时依赖的数据（全局变量）~~

内存指针就描述了 该进程中哪些部分是指令，哪些部分是数据~~

文件描述符表：表示了当前进程都打开了哪些文件，进程每打开一次文件，就会在文件描述表上记录一些重要的信息~~

在代码中打开一个文件，就会在进程的 文件描述符表 里给这个文件分配一个表项~~

可以看作 数组，每个元素代表了一个打开的文件，它对应的数组下标就是 "文件描述符"~~

所以说，内存指针 和 文件描述符表 就描述了进程有哪些系统的资源，也认为 进程是操作系统中 "资源分配" 的具体单位！！！  

2.3.2 进程的调度

进程里面还有一组比较关键的属性，用来实现进程的调度~~ 

1. 进程的优先级
2. 进程的状态
3. 进程的记账信息
4. 进程的上下文

什么是调度：

本质问题，当前计算机 CPU 是有限的，但是进程的数量却比较多，都需要消耗一定的资源，但是 每个进程都需要消耗一定的 CPU~

操作系统要做到尽可能的公平，这时候就需要进行 "调度"~

需要让这些有限的资源 贡献出更多的力量~

类似于高铁站的 "调度"工作，铁轨就只有几根，但是每天在上面跑的高铁 确实有许多的，那么 "调度" 就是要规划好 高铁什么时候开，从哪条铁轨上开，从哪里开到哪里......"调度"工作就是需要保证 这些高铁之间需要有条不紊的开，相互之间不可以打架~~ 

这里的解决方法，就是 "轮流来"，虽然进程的运行速度会受到一定的影响，但是 受到的影响是比较小的~

毕竟，CPU的主频是 XX GHz，1秒钟有上几十亿个时钟周期~~

人是感受不到这样的轮转的~

比如说，此时 我正在打开 CSDN，但是 QQ也照样是开着的，

从宏观上面来说，就好像这些进程是同时执行一样，

但是 从微观上来说，并不是同时，而是 "轮流" 的方式占用 CPU 执行~~

类似于这种方式，我们称之为 "并发式的执行"~~

由于 CPU 上有多个核心，每个核心上都可以跑一个进程，某一时刻 两个进程就是在两个 CPU 核心上同时执行的~~

宏观上和微观上都是同时执行的~~

我们把这种方式，称之为 "并形式的执行"~~

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那么，现在就可以来解释 进程里的那些关键属性了~

为了方便理解，我们首先需要引进一个场景（大家不要模仿哦）：

假设 小欣是一位漂亮小姐姐，追求者有很多，她的选男友的标准是 有钱+长得帅~~

但是，没有哪个追求者具备这两个条件~

于是 她就决定同时交往多个男朋友（A，B，C）~

其中，A 有钱，B 长得帅，C 虽然没有这两个条件，但是他会舔~

所以，小欣 不能让 A、B、C 之间有交集~

于是，小欣 就需要化身为一个 "时间管理大师"，即 规划一个时间表，规划哪段时间给和谁干什么~

如：

时间段	安排
星期一	和 A 买个包，出去逛街
星期二	和 B 一起去吃个饭，看一场电影
星期三	和 C 一起去上课
......	......

好啦，场景已经设立~~

如果此时，把 小欣 当成一个 CPU，把 A，B，C 当成是三个进程的话，

上述的时间表的安排的情况下，就是 三个进程 在 CPU 上并发的执行~~

进程的优先级：

那么，什么是 进程的优先级 呢？ 

简单的来说，就是 小欣在安排时间表的时候，先安排哪一个，再安排哪一个......

假设，小欣比较喜欢 money，然后再考虑其他的，

那么 她就可以优先给 A 安排时间，把一周的大部分时间都陪伴在 A 的身边；

其次，在分出一点时间 陪伴 B；

至于 C，就看剩下的时间了~~

进程的状态：

指的是，安排时间表的时候，需要考虑到每个人的当前的特定情况~~

比如说，A 说他这周需要出差两个礼拜，不能够陪她了，

于是 接下来的时间就只给 B 和 C 了~~

对于 进程 来说，有很多的状态，其中最典型的，就是 就绪状态 和 堵塞状态：

就绪状态：进程是准备就绪的，随时都可以让 CPU 执行~

阻塞状态：进程在等待某个任务结束之后，才可以让 CPU 执行；在完成之前，就没法继续执行~

比如说，正常情况下，A、B、C 都是就绪状态（小欣随便安排时间，他们都是随叫随到）；

但是，如果 A 出差了，就相当于进入阻塞状态，此时就没法给 A 安排时间了~~

进程的记账信息：

在安排时间的时候，就需要考虑到一些历史记录（以往的安排）~~

比如说，连续有好几个礼拜，给 C 安排的时间都太少了，小欣一看历史记录，发现了这个问题，再不进行一些调整的话，就要失去 C 这个小可爱啦~

于是，就在下一周安排时间的时候，就给 C 多安排一些时间~

 

操作系统 在安排进程的时候，也会记录以往每个进程在 CPU 上执行的时间，如果发现某个进程被安排得太少，就会适当的调整策略~~

而 记录以往每个进程在 CPU 上执行的时间，就叫做 进程的记账信息~~

当然，也不一定是一执行的时间为单位，也可能是以执行的指令数为单位~~

进程的上下文：

比如说，某一次 小欣和 A 在一起的时候，和 A 说好了，两周之后 一起去夏威夷旅游~

有一次 小欣和 B 在一起的时候，和 B 说好了，下次见面的时候 他会带来一个小礼物~

于是，当小欣下次遇到 A 的时候，就可以问他说：夏威夷那边准备的咋样了~

下次遇到 B 的时候，就可以问他说：礼物准备的怎么样了~

当然，在这个过程中 可千万不要把 A 和 B 两个对象给搞反了，不然就 "穿帮" 了~

为了避免出现 "穿帮" 的情况，小欣就需要记录好 每次约会后的一些关键信息，尤其是 这次约会还没有处理完的一些事情 需要在下次处理，就需要明确的记录好当前处理的进度/中间结果，这样下次约会的时候，就可以继续从上次的结果中继续往下进行了~

进程在调度的时候也是一样，进程很可能执行了某一个操作，执行到一半，就被调度走了~

过一段时间，进程还是要回来的~

回来就需要从上次执行的位置继续执行下去了~

这就很类似于 玩游戏的时候的 存档和读档，存档保存的信息，就是上次退出之前 的游戏的状态，这个就是 "上下文"~~

对于进程来说，"上下文"，具体指的就是 CPU 里的一堆寄存器里面的值，上下文 就会在进程被切出 CPU 的时候，把寄存器的状态保存到 PCB里（内存 里）；下次进程回到 CPU 上，就把 PCB 里的上下文读取出来，恢复到 CPU 寄存器中，做到从上次执行的结果 继续往下执行了~~

2.3.3 进程的虚拟地址空间

这是一个和进程非常相关的概念~

进程，需要调用一些系统的资源，其中的内存资源，就是一个很关键的资源~

我们期望每个进程，都用自己的内存，不要相互干扰！！！

但是，在 C语言 中有一个操作，叫做 指针解引用~

解引用的时候，我们需要保证 这个指针里包含的地址，指向的是自己搞得合法的内存地址~

此处必须有程序员来保证，当前指针指向的内存是否合法~

如果指向的内存地址不合法，甚至会伴随着这个操作，把别的进程就直接搞挂了~

但是，但凡是由人来操作的，都会有出错的可能性，甚至使得整个操作系统都不稳定~

为了让各个进程之间不要相互干扰，操作系统就引入了 "虚拟地址空间" 这样的概念~

每个进程都只能访问到自己的地址空间，相互之间都不会有影响了，哪怕指针指错，操作系统也能及时发现，不会影响到其他的进程~

就算出问题，问题也会被限制到进程的内部，不会把其他的进程搞挂了~

正因为有了 虚拟地址空间，进程有了一个非常重要的特性：隔离性！！！

一个进程的运行一般不会影响到另一个进程，尤其是一个进程崩溃也不会影响到另一个进程崩溃~

 现在又引出一个问题：

每个进程都有一个 "虚拟地址空间"，那么 一个系统里面的进程又那么多，这些虚拟地址空间加到一起，比物理内存大了，那怎么办呢？

1. 虽然系统里面的进程有这么多，但是 实际上同一时刻进行的进程没有几个！！！
2. 即使同一时刻，有好几个进程在跑，这些进程也不是同时把所有的虚拟内存地址空间的内存都用上了（假设 同时有6个进程在跑，很可能每个进程只用了 1M 的内存空间，虽然每个进程的虚拟空间很大，但实际使用的内存只有一小部分，物理内存只需要把真实使用的这部分内存数据给表示出来即可）！！！
3. 极端情况下，同时跑的几个进程同时吃了很多的真实内存，会导致物理内存不够，此时 出现这种情况，算 bug，程序员需要想出办法来优化一下内存占用，或者扩容换一个内存更大的机器！！！

2.3.4 进程间通信

进程引入了隔离性，确实使得系统更稳定了，但是也带来了其他的问题：

如果多个进程之间想要配合工作，就麻烦了~~

操作系统又引入了 "进程间通信"，在隔离行的前提下 开了个口子，让多个进程之间能相互通信~~

操作系统提供的进程通信方式有很多种，但是本质上都是一样的：搞一个多个进程之间都能访问到的公共资源，借助公共资源来进行通信！！！

就类似于之前疫情比较严重的时候，点外卖的时候要求 "无接触配送"，外卖小哥直接把外卖放到一个专门的 集中放置的地点，点外卖的人直接去那个地点去取外卖~~

这一章的内容就到此为止了， 如果感觉这篇文章对大家有帮助的话，点赞评论关注走一波，非常非常感谢啦~~