「JavaEE」初识进程

🍉进程

进程是操作系统提供的一种软件资源

我们现在用到的系统，都属于是“多任务操作系统”，即在同一时刻，可以同时运行多个任务
这里所说的“任务”，就是指正在运行中的程序，也可以称为“进程”

与其对应的就是“单任务操作系统”，它在同一时刻只能运行一个程序

打开任务管理器，我们可以看到：每个任务在执行过程中，都需要消耗一定的硬件资源（内存、硬盘等）

也就是说，计算机的每个进程在运行的时候，都需要给它分配一定的系统资源。可见进程是系统分配资源的基本单位

🍌操作系统的进程管理

操作系统在管理进程时，会先使用类/结构体把实体属性给列出来（因为操作系统一般是用C/C++实现的，所以可以使用结构体），这一步称为“描述”。表示进程信息的结构体，称为PCB（进程控制块，Process Control Block）

每个正在运行或等待被调度的进程都有一个对应的PCB，操作系统通过访问和操作PCB来实现进程的管理和调度

补充：PCB 是操作系统学科中的通用概念。Windows 上表示进程的结构，可以称为 PCB；Linux 上的也可以称为 PCB
具体到 Linux 上，PCB 是一个叫作 struct task_struct{…}这样的结构体

在描述之后，使用一定的数据结构，把这些结构体/对象串到一起，这一步叫作再组织
在 Linux 中，若干个 task_struct 之间是使用链式结构串起来的

当我们看到任务管理器中的进程时，系统内部此时在遍历链表，并且打印每个节点的相关信息
如果运行一个新的程序，那么系统中就会多一个进程，多出来的这个进程就需要构造一个新的 PCB，添加到链表上
与之对应的，如果某个运行中的程序退出了，那就需要把对应进程的 PCB 从链表中删掉，并销毁对应的 PCB 资源

注意：此处的表述是一个简化版本，实际上组织的方式更加复杂（内部不是一个链表，而是更加复杂的链式结构）

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🍉PCB 重要属性

🍌进程的身份标识

不同进程之间是通过一个简单的不重复整数来区分的，称为 pid。后续要针对某个进程进行操作时，就可以用 pid 来区分

比如选中某进程，点击“结束任务”，那么此时任务管理器就会获取到你选中的进程的 pid，然后调用一个系统 api，把 pid 作为参数传进去，从而完成杀死进程的操作

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🍌内存指针

内存指针是用来描述某个进程能使用哪些内存，即描述了进程使用内存资源的详细情况

进程在运行过程中需要消耗一些系统资源，其中内存就是一种重要的资源
如果要使用内存，那就得先向系统申请，得系统给你分配一块内存之后，你才能使用
一个进程要想跑起来，需要有指令（代码），也需要有数据，而指令和数据都是要加载到内存中的，所以进程需要知道指令和数据分别存在哪里

而内存指针保存着一个内存地址，指向内存中的特定位置。通过内存指针，可以访问和操作内存中的数据和指令（代码）

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🍌文件描述符表

文件描述符表是操作系统中的一个数据结构，它描述了某个进程所涉及的硬盘相关的资源
进程经常需要访问硬盘，操作系统对于硬盘这样的硬件设备进行封装，按照文件的方式来操作（这里的“文件”，指的就是我们电脑里面的文件，它们是存在硬盘中的）
一个进程要想操作文件，就需要先打开文件，这个过程就是在文件描述符表中给这个进程分配一个表项（构造一个结构体），表示这个文件的相关信息

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前面我们说进程是系统分配资源的基本单位，像内存、硬盘、网卡等资源就会在 PCB 中有所体现，而且它们在PCB 中都好体现。但是一个进程消耗 CPU 资源，这个要如何看待呢？

一个 CPU 可能有一个核心，也可能有多个，一个核心在同一时刻只能处理一个进程，但是系统上的进程远多于电脑的核心数，此时就涉及到一个关键的概念——分时复用（并发）
就是 CPU 的核心先执行进程1的代码，执行一段时间之后，让进程1下来，换进程2上去……依此类推

而 CPU 一秒可以执行几十亿条指令，也就是说在短时间内可以进行很多次任务切换，在切换进程的速度足够快的情况下，人是感知不到这个切换的过程
而如果是多核 CPU，比如四核，那么就可以同时执行四个不同的进程，这称为并行执行。虽然有多个核心，但每个核心仍然要分时复用，快速切换
当代计算机，基本是并行和并发同时存在的，两个进程是并行执行还是并发执行，要看系统的调度
我们把并行和并发统称为“并发”，对应的编程方式（解决一个问题，分成多个任务来执行，这多个任务协作解决）称为并发编程

说到这里，再回到上面的问题，一个进程消耗 CPU 资源代表该进程在 CPU 上消耗的时间

任务管理器中是按百分比算的，就表示某进程在 CPU 上消耗的时间的百分比
如果某个进程把 CPU 占到 100%，那就意味着其他进程都没有执行的时间，相当于这个进程霸占了 CPU，这时候很可能会造成系统卡顿

为了避免发生这种情况，就需要对进程进行调度，使各个进程可以顺利并发执行。PCB 中提供了一些属性来支持系统调度进程，下面我们来看一下

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🍌进程的状态

所谓的状态，是描述某个进程能否到 CPU 上执行，主要有两个状态
就绪状态：进程随时准备好到 CPU 上执行
阻塞状态：进程当前不方便去 CPU 上执行，不应该去调度它，比如进程在等待 IO
这里所说的 IO，可能是来自控制台的输入/输出（比如等待 Scanner 的输入，也可能是硬盘的输入/输出、网卡的输入/输出）

🍌优先级

有多个进程等待系统调度，这些进程获得的资源和调度顺序是有优先级的。优先级越高，获得资源的机会就越大，同时一般会优先执行
比如电脑上在运行游戏和微信，显然游戏的优先级更高

🍌记账信息

针对每个进程占据多少 CPU 时间进行统计，然后根据统计结果进一步调整调度的策略。这样做是为了确保每个进程不会出现完全没有到 CPU 上执行的情况

🍌上下文

每个进程在运行过程中，会产生一些中间结果，这些结果会保存在 CPU 的寄存器中。因此，在进程调度出 CPU 之前，需要把当前寄存器中的信息单独保存到一个地方。在该进程下次去 CPU 上执行的时候，再把这些寄存器的信息恢复回来

保存上下文：把 CPU 的关键寄存器中的数据，保存到内存中（PCB的上下文属性中）。相当于游戏中的存档操作
恢复上下文：把内存中关键寄存器中的数据，加载到 CPU 对应的寄存器中，使之前的进程能够继续执行。相当于游戏中的读档操作

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🍉内存分配（内存管理）

核心结论：每个进程的内存是彼此独立、互不干扰的
也就是说，通常情况下进程A不能直接访问进程B的内存（这也称为进程独立性），这样做利于系统的稳定性。
如果某个进程的代码出 bug 了，那么只会影响到当前这个进程，不会影响到其他进程

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🍉进程间通信

虽然进程之间有独立性，但是有时候也需要多个进程相互配合完成某个工作，所以进程间需要进行通信

进程间通信和进程的独立性不矛盾，因为系统会提供一些公共的空间（就是多个进程都可以访问到的），让两个进程借助这种公共空间来交互数据

操作系统提供了多种方式供进程进行通信，但本质上都是上述思路

常用的方式有：

1. 文件：Java 程序员主要使用的进程间通信方式
2. 网络：可以支持同一个主机的不同进程，也能支持不同主机的不同进程（适用性更高）
3. 管道
4. 共享内存
5. 信号量
6. 信号