计算机任务的并发性

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计算机任务的并发性

多任务

在上古时代，CPU 资源十分昂贵，如果让 CPU 只能运行一个程序，那么当 CPU 空闲下来（例如等待 I/O 时），CPU 就空闲下来了。为了让 CPU 得到更好的利用，人们编写了一个监控程序，如果发现某个程序暂时无须使用 CPU 时，监控程序就把另外的正在等待 CPU 资源的程序启动起来，以充分利用 CPU 资源。这种方法被称为 多道程序（Multiprogramming）。

对于多道程序来说，最大的问题是程序之间不区分轻重缓急，对于交互式程序来说，对于 CPU 计算时间的需求并不多，但是对于响应速度却有比较高的要求。而对于计算类程序来说则正好相反，对于响应速度要求低，但是需要长时间的 CPU 计算。想象一下我们同时在用浏览器上网和听音乐，我们希望浏览器能够快速响应，同时也希望音乐不停掉。这时候多道程序就没法达到我们的要求了。于是人们改进了多道程序，使得每个程序运行一段时间之后，都主动让出 CPU 资源，这样每个程序在一段时间内都有机会运行一小段时间。这样像浏览器这样的交互式程序就能够快速地被处理，同时计算类程序也不会受到很大影响。这种程序协作方式被称为 分时系统（Time-Sharing System）。

在分时系统的帮助下，我们可以边用浏览器边听歌了，但是如果某个程序出现了错误，导致了死循环，不仅仅是这个程序会出错，整个系统都会死机。为了避免这种情况，一个更为先进的操作系统模式被发明出来，也就是我们现在很熟悉的 多任务（Multi-tasking）系统。操作系统从最底层接管了所有硬件资源。所有的应用程序在操作系统之上以 进程（Process） 的方式运行，每个进程都有自己独立的地址空间，相互隔离。CPU 由操作系统统一进行分配。每个进程都有机会得到 CPU，同时在操作系统控制之下，如果一个进程运行超过了一定时间，就会被暂停掉，失去 CPU 资源。这样就避免了一个程序的错误导致整个系统死机。如果操作系统分配给各个进程的运行时间都很短，CPU 可以在多个进程间快速切换，就像很多进程都同时在运行的样子。几乎所有现代操作系统都是采用这样的方式支持多任务，例如 Unix，Linux，Windows 以及 macOS。

进程

进程是一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它可以申请和拥有系统资源，是一个动态的概念，是一个活动的实体。它不只是程序的代码，还包括当前的活动，通过程序计数器的值和处理寄存器的内容来表示。

进程的概念主要有两点：第一，进程是一个实体。每一个进程都有它自己的地址空间，一般情况下，包括文本区域（text region）、数据区域（data region）和堆栈（stack region）。文本区域存储处理器执行的代码；数据区域存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内存；堆栈区域存储着活动过程调用的指令和本地变量。第二，进程是一个“执行中的程序”。程序是一个没有生命的实体，只有处理器赋予程序生命时，它才能成为一个活动的实体，我们称其为进程。

进程的基本状态

等待态：等待某个事件的完成；
就绪态：等待系统分配处理器以便运行；
运行态：占有处理器正在运行。

运行态→等待态往往是由于等待外设，等待主存等资源分配或等待人工干预而引起的。

等待态→就绪态则是等待的条件已满足，只需分配到处理器后就能运行。

运行态→就绪态不是由于自身原因，而是由外界原因使运行状态的进程让出处理器，这时候就变成就绪态。例如时间片用完，或有更高优先级的进程来抢占处理器等。

就绪态→运行态系统按某种策略选中就绪队列中的一个进程占用处理器，此时就变成了运行态

进程调度

调度种类

高级、中级和低级调度作业从提交开始直到完成，往往要经历下述三级调度：

高级调度：(High-Level Scheduling)又称为作业调度，它决定把后备作业调入内存运行；
中级调度：(Intermediate-Level Scheduling)又称为在虚拟存储器中引入，在内、外存对换区进行进程对换。
低级调度：(Low-Level Scheduling)又称为进程调度，它决定把就绪队列的某进程获得CPU；

非抢占式调度与抢占式调度

非抢占式

分派程序一旦把处理机分配给某进程后便让它一直运行下去，直到进程完成或发生进程调度进程调度某事件而阻塞时，才把处理机分配给另一个进程。
抢占式

操作系统将正在运行的进程强行暂停，由调度程序将CPU分配给其他就绪进程的调度方式。

调度策略的设计

响应时间: 从用户输入到产生反应的时间

周转时间: 从任务开始到任务结束的时间

CPU任务可以分为交互式任务和批处理任务，调度最终的目标是合理的使用CPU，使得交互式任务的响应时间尽可能短，用户不至于感到延迟，同时使得批处理任务的周转时间尽可能短，减少用户等待的时间。

调度算法

FIFO或First Come, First Served (FCFS)

调度的顺序就是任务到达就绪队列的顺序。

公平、简单(FIFO队列)、非抢占、不适合交互式。未考虑任务特性，平均等待时间可以缩短

Shortest Job First (SJF)

最短的作业(CPU区间长度最小)最先调度。

可以证明，SJF可以保证最小的平均等待时间。

Shortest Remaining Job First (SRJF)

SJF的可抢占版本，比SJF更有优势。

SJF(SRJF): 如何知道下一CPU区间大小？根据历史进行预测: 指数平均法。

优先权调度

每个任务关联一个优先权，调度优先权最高的任务。

注意：优先权太低的任务一直就绪，得不到运行，出现“饥饿”现象。

FCFS是RR的特例，SJF是优先权调度的特例。这些调度算法都不适合于交互式系统。

Round-Robin(RR)

设置一个时间片，按时间片来轮转调度（“轮叫”算法）

优点: 定时有响应，等待时间较短；缺点: 上下文切换次数较多；

如何确定时间片？

时间片太大，响应时间太长；吞吐量变小，周转时间变长；当时间片过长时，退化为FCFS。

多级队列调度

按照一定的规则建立多个进程队列
不同的队列有固定的优先级（高优先级有抢占权）
不同的队列可以给不同的时间片和采用不同的调度方法

存在问题1：没法区分I/O bound和CPU bound；

存在问题2：也存在一定程度的“饥饿”现象；

多级反馈队列

在多级队列的基础上，任务可以在队列之间移动，更细致的区分任务。

可以根据“享用”CPU时间多少来移动队列，阻止“饥饿”。

最通用的调度算法，多数OS都使用该方法或其变形，如UNIX、Windows等。

进程同步

临界资源与临界区

在操作系统中，进程是占有资源的最小单位（线程可以访问其所在进程内的所有资源，但线程本身并不占有资源或仅仅占有一点必须资源）。但对于某些资源来说，其在同一时间只能被一个进程所占用。这些一次只能被一个进程所占用的资源就是所谓的临界资源。典型的临界资源比如物理上的打印机，或是存在硬盘或内存中被多个进程所共享的一些变量和数据等(如果这类资源不被看成临界资源加以保护，那么很有可能造成丢数据的问题)。

对于临界资源的访问，必须是互斥进行。也就是当临界资源被占用时，另一个申请临界资源的进程会被阻塞，直到其所申请的临界资源被释放。而进程内访问临界资源的代码被成为临界区。

对于临界区的访问过程分为四个部分：

进入区:查看临界区是否可访问，如果可以访问，则转到步骤二，否则进程会被阻塞
临界区:在临界区做操作
退出区:清除临界区被占用的标志
剩余区：进程与临界区不相关部分的代码

解决临界区问题可能的方法：

一般软件方法
关中断方法
硬件原子指令方法
信号量方法

信号量

信号量是一个确定的二元组（s，q），其中s是一个具有非负初值的整形变量，q是一个初始状态为空的队列，整形变量s表示系统中某类资源的数目：

当其值 ≥ 0 时，表示系统中当前可用资源的数目
当其值＜ 0 时，其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目

除信号量的初值外，信号量的值仅能由P操作和V操作更改，操作系统利用它的状态对进程和资源进行管理

P操作：

P操作记为P(s)，其中s为一信号量，它执行时主要完成以下动作：

s.value = s.value - 1；  /*可理解为占用1个资源，若原来就没有则记帐“欠”1个*/

若s.value ≥ 0，则进程继续执行，否则（即s.value < 0），则进程被阻塞，并将该进程插入到信号量s的等待队列s.queue中

说明：实际上，P操作可以理解为分配资源的计数器，或是使进程处于等待状态的控制指令

V操作：

V操作记为V(s)，其中s为一信号量，它执行时，主要完成以下动作：

s.value = s.value + 1；/*可理解为归还1个资源，若原来就没有则意义是用此资源还1个欠帐*/

若s.value > 0，则进程继续执行，否则（即s.value ≤ 0）,则从信号量s的等待队s.queue中移出第一个进程，使其变为就绪状态，然后返回原进程继续执行

说明：实际上，V操作可以理解为归还资源的计数器，或是唤醒进程使其处于就绪状态的控制指令

信号量方法实现：生产者 − 消费者互斥与同步控制

semaphore fullBuffers = 0; /*仓库中已填满的货架个数*/
semaphore emptyBuffers = BUFFER_SIZE;/*仓库货架空闲个数*/
semaphore mutex = 1; /*生产-消费互斥信号*/

Producer() 
{ 
    while(True)
    {  
       /*生产产品item*/
       emptyBuffers.P(); 
       mutex.P(); 
       /*item存入仓库buffer*/
       mutex.V();
       fullBuffers.V();
    }
}

Consumer() 
{
    while(True)
    {
        fullBuffers.P(); 
        mutex.P();  
        /*从仓库buffer中取产品item*/
        mutex.V();
        emptyBuffers.V();
        /*消费产品item*/
    }
}

死锁

死锁: 多个进程因循环等待资源而造成无法执行的现象。

死锁会造成进程无法执行，同时会造成系统资源的极大浪费(资源无法释放)。

死锁产生的4个必要条件：

互斥使用(Mutual exclusion)

指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。
不可抢占(No preemption)

指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
请求和保持(Hold and wait)

指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。
循环等待(Circular wait) 指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源；P1正在等待P2占用的资源，……，Pn正在等待已被P0占用的资源。

死锁避免——银行家算法

思想: 判断此次请求是否造成死锁若会造成死锁，则拒绝该请求

进程间通信

本地进程间通信的方式有很多，可以总结为下面四类：

消息传递（管道、FIFO、消息队列）
同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
共享内存（匿名的和具名的）
远程过程调用（Solaris门和Sun RPC）

线程

多进程解决了前面提到的多任务问题。然而很多时候不同的程序需要共享同样的资源（文件，信号量等），如果全都使用进程的话会导致切换的成本很高，造成 CPU 资源的浪费。于是就出现了线程的概念。

线程，有时被称为轻量级进程(Lightweight Process，LWP），是程序执行流的最小单元。一个标准的线程由线程ID，当前指令指针(PC），寄存器集合和堆栈组成。

线程具有以下属性：

轻型实体线程中的实体基本上不拥有系统资源，只是有一点必不可少的、能保证独立运行的资源。线程的实体包括程序、数据和TCB。线程是动态概念，它的动态特性由线程控制块TCB（Thread Control Block）描述。
独立调度和分派的基本单位。

在多线程OS中，线程是能独立运行的基本单位，因而也是独立调度和分派的基本单位。由于线程很“轻”，故线程的切换非常迅速且开销小（在同一进程中的）。

可并发执行。在一个进程中的多个线程之间，可以并发执行，甚至允许在一个进程中所有线程都能并发执行；同样，不同进程中的线程也能并发执行，充分利用和发挥了处理机与外围设备并行工作的能力。
共享进程资源。在同一进程中的各个线程，都可以共享该进程所拥有的资源，这首先表现在：所有线程都具有相同的地址空间（进程的地址空间），这意味着，线程可以访问该地址空间的每一个虚地址；此外，还可以访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量等。由于同一个进程内的线程共享内存和文件，所以线程之间互相通信不必调用内核。线程共享的环境包括：进程代码段、进程的公有数据(利用这些共享的数据，线程很容易的实现相互之间的通讯)、进程打开的文件描述符、信号的处理器、进程的当前目录和进程用户ID与进程组ID。

使用 pthread 线程库实现的生产者－消费者模型：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>
#define BUFFER_SIZE 10

static int buffer[BUFFER_SIZE] = { 0 };
static int count = 0;

pthread_t consumer, producer;
pthread_cond_t cond_producer, cond_consumer;
pthread_mutex_t mutex;

void* consume(void* _){
  while(1){
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while(count == 0){
      printf("empty buffer, wait producer\n");
      pthread_cond_wait(&cond_consumer, &mutex); 
    }

    count--;
    printf("consume a item\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    pthread_cond_signal(&cond_producer);
    //pthread_mutex_unlock(&mutex);
  }
  pthread_exit(0);
}

void* produce(void* _){
  while(1){
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while(count == BUFFER_SIZE){
      printf("full buffer, wait consumer\n");
      pthread_cond_wait(&cond_producer, &mutex);
    }

    count++;
    printf("produce a item.\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    pthread_cond_signal(&cond_consumer);
    //pthread_mutex_unlock(&mutex);
  }
  pthread_exit(0);
}

int main() {

  pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
  pthread_cond_init(&cond_consumer, NULL);
  pthread_cond_init(&cond_producer, NULL);

  int err = pthread_create(&consumer, NULL, consume, (void*)NULL);
  if(err != 0){
    printf("consumer thread created failed\n");
    exit(1);
  }

  err = pthread_create(&producer, NULL, produce, (void*)NULL);
  if(err != 0){
    printf("producer thread created failed\n");
    exit(1);
  }

  pthread_join(producer, NULL);
  pthread_join(consumer, NULL);  

  //sleep(1000);

  pthread_cond_destroy(&cond_consumer);
  pthread_cond_destroy(&cond_producer);
  pthread_mutex_destroy(&mutex);


  return 0;
}

锁

这里讨论的主要是多线程编程中需要使用的锁，网上有关于锁的文章实在是非常多而且乱套，让新手不知道从何下手。这里我们不去钻名词和概念的牛角尖，而是直接从本质上试图解释一下锁这个很常用的多线程编程工具。

锁要解决的是线程之间争取资源的问题，这个问题大概有下面几个角度：

资源是否是独占（独占锁 - 共享锁）
抢占不到资源怎么办（互斥锁 - 自旋锁）
自己能不能重复抢（重入锁 - 不可重入锁）
竞争读的情况比较多，读可不可以不加锁（读写锁）

上面这几个角度不是互相独立的，在实际场景中往往要它们结合起来，才能构造出一个合适的锁。

独占锁 - 共享锁

当一个共享资源只有一份的时候，通常我们使用独占锁，常见的即各个语言当中的 Mutex。当共享资源有多份时，可以使用前面提到的 Semaphere。

互斥锁 - 自旋锁

对于互斥锁来说，如果一个线程已经锁定了一个互斥锁，第二个线程又试图去获得这个互斥锁，则第二个线程将被挂起（即休眠，不占用 CPU 资源）。

在计算机系统中，频繁的挂起和切换线程，也是有成本的。自旋锁就是解决这个问题的。

自旋锁，指当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环。

容易看出，当资源等待的时间较长，用互斥锁让线程休眠，会消耗更少的资源。当资源等待的时间较短时，使用自旋锁将减少线程的切换，获得更高的性能。

较新版本的 Java 中的 synchornized 和 .NET 中的 lock（Monitor）的实现，是结合了两种锁的特点。简单说，它们在发现资源被抢占之后，会先试着自旋等待一段时间，如果等待时间太长，则会进入挂起状态。通过这样的实现，可以较大程度上挖掘出锁的性能。

重入锁 - 不可重入锁

可重入锁（ReetrantLock），也叫做递归锁，指的是在同一线程内，外层函数获得锁之后，内层递归函数仍然可以获取到该锁。换一种说法：同一个线程再次进入同步代码时，可以使用自己已获取到的锁。

使用可重入锁时，在同一线程中多次获取锁，不会导致死锁。使用不可重入锁，则会导致死锁发生。

Java 中的 synchornized 和 .NET 中的 lock（Monitor）都是可重入的。

读写锁

有些情况下，对于共享资源读竞争的情况远远多于写竞争，这种情况下，对读操作每次都进行加速，是得不偿失的。读写锁就是为了解决这个问题。

读写锁允许同一时刻被多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他的写线程都会被阻塞。简单可以总结为，读读不互斥，读写互斥，写写互斥。

对读写锁来说，有一个升级和降级的概念，即当前获得了读锁，想把当前的锁变成写锁，称为升级，反之称为降级。锁的升降级本身也是为了提升性能，通过改变当前锁的性质，避免重复获取锁。

协程

协程，又称微线程，纤程。英文名 Coroutine。

协程可以理解为用户级线程，协程和线程的区别是：线程是抢占式的调度，而协程是协同式的调度，协程避免了无意义的调度，由此可以提高性能，但也因此，程序员必须自己承担调度的责任，同时，协程也失去了标准线程使用多CPU的能力。

使用协程(python)改写生产者-消费者问题：

import time

def consumer():
    r = ''
    while True:
        n = yield r
        if not n:
            return
        print('[CONSUMER] Consuming %s...' % n)
        time.sleep(1)
        r = '200 OK'

def produce(c):
    next(c)                   #python 3.x中使用next(c)，python 2.x中使用c.next()
    n = 0
    while n < 5:
        n = n + 1
        print('[PRODUCER] Producing %s...' % n)
        r = c.send(n)
        print('[PRODUCER] Consumer return: %s' % r)
    c.close()

if __name__=='__main__':
    c = consumer()
    produce(c)

可以看到，使用协程不再需要显式地对锁进行操作。