网络编程基础【day10】：我是一个进程（三）

本节内容

1、引子

2、进程的诞生

3、线程

4、争吵

一、引子

我听说我的祖先们生活在专用计算机里，一生只帮助人类做一件事情，比说微积分运算了、人口统计了、生成密码、甚至通过织布机印花！

如果你想在这些专用“计算机”上干点别的事儿，例如安装个游戏玩玩，那是绝对不可能的，除非你把它拆掉，然后建一个全新的机器。而我这些祖先们勉强可以称为“程序”。

后来有个叫冯诺依曼的人，非常了不起，他提出了“存储程序”的思想，并且把计算机分为五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

各种各样不同功能的程序写好以后，和程序使用的数据一起存放在计算机的存储器中，即“存储程序”；然后，计算机按照存储的程序逐条取出指令加以分析，并执行指令所规定的操作。

这样一来，原来的专用计算机变成了通用的计算机，不管你是计算导弹弹道的，模拟核爆炸的，还是计算个人所得税的，统统都可以在一台机器上运行，我就是其中的一员：专门计算员工的薪水。

二、进程的诞生

进程的诞生我所在的计算机是个批处理系统，每次上机时，我和其他程序都排好队，一个接一个的进入内存运行。

每个月末是发薪日，我都要运行一次，这样我每月都能见一次CPU阿甘，这个沉默寡言，但是跑的非常快的家伙。

我知道内存看阿甘不顺眼，还告了它一状，说他一遇到IO操作的时候，就歇着喝茶，从来不管不问内存和硬盘的忙的要死的惨境。

（码农翻身注：参见《CPU阿甘》和《CPU阿甘之烦恼》）

其实我倒是觉得挺好，这时候正好和阿甘海阔天空的聊天，他阅程序无数，知道很多内部消息，每一个字节都清清楚楚，和他聊天实在是爽。

又到了月末发薪水的时候，我刚一进入内存，便看到这么一个公告：

                                                    公告

    为了创建和谐社会，促进效率和公平， 充分发挥每一个人的能力，经系统党委慎重研究决定：本系统自即日起，正式从“批处理系统”转为“多道程序系统”， 希望各部门通力配合，一起完成切换工作。

                                                                                                                    系统党委

                                                                                                          xxxx年xx月xx日

我正想着啥是多道程序系统，阿甘便打电话给内存要我的指令开始运行了。

和之前一样，运行到了第13869123行，这是个IO指令，我欢天喜地的准备和阿甘开聊了。

阿甘说：哥们，准备保存现场吧，我要切换到另外一个程序来运行啦！

“啊？我这正运行着呢！咱们不喝茶了？

“喝啥茶啊，马上另外一个程序就来了!”

" 那我什么时候回来再见你？” 我问道。

“等这个IO指令完成，然后操作系统老大会再给你机会运行的。”

“那谁来记住我当前正在运行第13869123行？还有刚把两个数据从内存装载到了你的寄存器，就是那个EAX, EBX , 你一切换岂不都丢了？ ” 我有点着急。

阿甘说：“所以要暂时保存起来啊，不仅仅是这些，还有你的那些函数在调用过程中形成的栈帧和栈顶，我这里用寄存器EBP和ESP维护着，都得保存起来。”（码农翻身注：参见《CPU阿甘之函数调用的秘密》）

“还有” 阿甘接着说，“你打开的文件句柄，你的程序段和数据段的地址，你已经使用CPU的时间，等待CPU的时间。。。。。。以及其他好多好多的东西，统统都要保存下来。”

我瞪大了眼睛： “这也太麻烦了吧，原来我只需要关心我的指令和数据，现在还得整这么多稀奇古怪的东西”

“没办法，这就叫做上下文切换，把你的工作现场保存好，这样下一次运行的时候才能恢复啊。对了，老大给你们统一起了一个新的名称：进程 ! 刚才那些需要保存的东西叫做叫做进程控制块

(Processing Control Block， PCB)，”

我想了想，这个名字还挺贴切的，一个真正进行的程序！只是这个正在进行的程序随时可以被打断啊。

我只好保存好上下文，撤出CPU, 回到内存里歇着去了，与此同时另外一个程序开始占据CPU运行。

其实我这个程序，奥，不对，我这个进程被放到一个阻塞队列里，等到IO的数据来了以后，又被赶到了就绪队列中，最后才有机会再次运行，再次见到CPU阿甘。（码农翻身：进程的就绪, 阻塞，运行这三个状态的转换和《我是一个线程》中描述的非常类似）

阿甘从我的PCB中取出各种保存的信息，恢复了运行时现场，可是忙活了好一阵，没办法，这就是程序切换必须要付出的代价。

我有点同情阿甘了，从此以后，他很难再悠闲和和我们海阔天空，每时每刻都处于高速的奔跑中。

得益于阿甘的高速度，虽然在同一时刻只有一个程序在运行，但是有很多程序在短时间内不断的切换，在外界看来，似乎多个程序在同时执行。

尤其是那些速度超慢的人类，他们开着电脑一边听歌，一边上网，一边QQ, 很是自在，理所当然的认为这些程序就是同时在运行。岂不知阿甘是让音乐播放器上运行几十毫秒，然后打断，让浏览器进程运行几十毫秒，再打断，让QQ也运行几十毫秒，如此循环往复。

唉，阿甘真是能者多劳啊，这个计算机系统也算是达到了我们党委的目标：兼顾了效率和公平。

三、线程

有了进程就万事大吉了吗？人类的欲望是无止境的，很快就出现了新情况，举个例子来说吧，我有一个兄弟，是个文字处理软件，他和我不一样，他有界面，人类在用的时候能看到，这实在是很幸福，不像我总是在背后默默工作，几乎无人知晓。

这哥们有个智能的小功能，就是在人类编辑文档的时候能自动保存，防止辛辛苦苦敲的文字由于断电什么的丢掉。

可是这个功能导致了人类的抱怨，原因很简单，自动保存文字是和IO打交道，那硬盘有多慢你也知道，这个时候整个进程就被挂起了，给人类的感觉就是：程序死了，键盘和鼠标不响应了！无法继续输入文字，但是过一会儿就好了。

并且这种假死一会儿就会出现一次（每当自动保存的时候），让人不胜其烦。

系统党委研究了很久，他们当然可以用两个进程来解决问题，一个进程负责和用户交互，另外一个进程负责自动保存，但是，这两个进程之间完全是独立的，每个人都有自己的一亩三分地（地址空间），完全互不知晓，进程之间通信的开销实在是太大，他们没有办法高效的操作那同一份文档数据。

后来还是劳模阿甘想出了一招：可以采用多进程的伟大思想啊！

把一个进程当成一个资源的容器，让里边运行几个轻量级的进程，就叫线程吧，这些线程共享进程的所有资源，例如地址空间，全局变量，文件资源等等。

但是每个线程也有自己独特的部分，那就是要记住自己运行到哪一行指令了，有自己的函数调用堆栈，自己的状态等等，总而言之，就是为了能像切换进程那样切换线程。

拿我那个哥们的情况来说，一个进程保存着文档的数据，进程中有两个线程，一个负责和用户交互，另外一个专门负责定时的自动保存， IO导致的阻塞就不会影响另外一个了。

注意，这两个线程都能访问进程的所有东西，他们两个要小心，不要发起冲突才好 -- 这是人类程序员要做的事情了，不归我们管。

四、争吵

阿甘的建议被采纳了，其实这几乎是唯一的解决问题方式了，但是由谁来管理引起了激烈争吵。

系统党委有一波人坚持要在用户空间实现线程，换通俗的话说就是让那些进程在自个儿内部去管理线程，他们的理由也很充分：

你们自己实现了线程，可以自己定制自己的调度算法，多灵活啊；

所有的线程切换都在进程内完成，不用请求我们操作系统内核来处理，效率多高啊；

况且你们可以在那些内核不支持线程的操作系统中运行，移植性多好啊。

我们清楚的知道这是内核想做甩手掌柜，因为他们选择性的忽略了一个致命的问题：如果由我们实现线程，则操作系统内核还是认为我们只是一个进程而已，对里边的线程一无所知，对进程的调度还是以进程为最小单位。

一旦出现阻塞的系统调用，不仅仅阻塞那个线程，还会阻塞整个进程！

例如文字处理器那个进程，如果负责定时保存的线程发起了IO调用，内核会认为，这是由进程发起的，于是就把整个进程给挂起了，虽然和用户交互的进程还是可以运行，也被强制的随着进程挂起来，不响应了，这多么悲催啊，又回到了老问题上去了。

所以我们坚决不能答应，我们则一致的要求：在内核中实现线程！内核需要知道进程中线程的存在，内核需要维护线程表，并且负责调度！

党委的人傲慢的说：你们不嫌累吗，每次创建一个线程都得通过我们内核，多慢啊。

我们说：只有这样，一个线程的IO系统调用才不会阻塞我们整个进程啊，你们完全可以选择同一个进程的另外一个线程去执行。

双发僵持不下，最后只好妥协，那就是：混合着实现吧。

用户空间的进程可以创建线程（用户线程），内核也会创建线程（内核线程），用户线程映射到内核线程上。

问题基本解决了，但也带来了新的问题，我们的系统也变的越来越复杂，尤其是进程之间的通信和线程之间的同步，会那些程序员们带来无穷无尽的烦恼，这是后话了，有机会下次再说吧。

注：本文转自微信公众号码农转身