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我是一个进程

程序猿  · 公众号  · 程序员  · 2016-09-13 20:35

正文

来自:码农翻身(微信号:coderising)

作者:刘欣


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。


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。
(注:参见《CPU阿甘》 回复 0005 阅读文章 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。”

“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。
(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。

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。






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