并发编程之多进程理论

1、背景知识

　　顾名思义，进程即正在执行的一个过程。进程是对正在运行程序的一个抽象。

　　进程的概念起源于操做系统，是操做系统最核心的概念，也是操做系统提供的最古老也是最重要的抽象概念之一。操做系统的其余全部内容都是围绕进程的概念展开的。

　　因此想要真正了解进程，必须事先了解操做系统，点击进入

PS：即便能够利用的cpu只有一个（早期的计算机确实如此），也能保证支持（伪）并发的能力。将一个单独的cpu变成多个虚拟的cpu（多道技术：时间多路复用和空间多路复用+硬件上支持隔离），没有进程的抽象，现代计算机将不复存在。

2、什么是进程

　　进程：正在进行的一个过程或者说一个任务，负责执行任务的是cpu。

　　举例（单核+多道，实现多个进程的并发执行）：

　　在一个时间段内有不少任务要作：python备课的任务，写书的任务，交女友的任务，王者荣耀上分的任务，但同一时刻只能作一个任务（cpu同一时间只能干一个活），如何才能玩出多个任务并发执行的效果？备一会课，再去跟李杰的女友聊聊天，再去打一会王者荣耀....这就保证了每一个任务都在进行中.

3、进程和程序的区别

　　程序仅仅是一堆代码，进程指的是程序的运行过程。
　　以作蛋糕为例的话：

　　蛋糕食谱就是程序（适当形式描述的算法）
　　蛋糕师就是处理器
　　蛋糕的原料就是输入的数据
　　进程就是厨师阅读食谱、取各类原料及烘制蛋糕等一系列动做的总和。

注意：同一个程序执行两次，那也是两个进程，好比打开暴风影音同一个软件，一个播放电影一个播放AV.

4、并发与并行

　　不管是并行仍是并发，在用户看来都是'同时'运行的，不论是进程仍是线程，都只是一个任务而已，真实干活的是cpu，cpu来作这些任务，而一个cpu同一时刻只能执行一个任务。

　　1、并发：伪并行，即看起来多个进程像在同时运行。单个cpu+多道技术可实现并发。

　　2、并行：多个进程同时运行，只有具有多个cpu才能实现。

　　单核下，能够利用多道技术，多个核，每一个核也均可以利用多道技术（多道技术是针对单核而言的）有四个核，六个任务，这样同一时间有四个任务被执行，假设分别被分配给了cpu1，cpu2，cpu3，cpu4；一旦任务1遇到I/O就被迫中断执行，此时任务5就拿到cpu1的时间片去执行，这就是单核下的多道技术。

　　而一旦任务1的I/O结束了，操做系统会从新调用它(需知进程的调度、分配给哪一个cpu运行，由操做系统说了算)，可能被分配给四个cpu中的任意一个去执行。

　　

　　全部现代计算机常常会在同一时间作不少件事，一个用户的PC（不管是单cpu仍是多cpu），均可以同时运行多个任务（一个任务能够理解为一个进程）。

　　多道技术概念回顾：内存中同时存入多道（多个）程序，cpu从一个进程快速切换到另一个，使每一个进程各自运行几十或几百毫秒，这样，虽然在某一个瞬间，一个cpu只能执行一个任务，但在1秒内，cpu却能够运行多个进程，这就给人产生了并行的错觉，即伪并发，以此来区分多处理器操做系统的真正硬件并行（多个cpu共享同一个物理内存）。

5、同步\异步和阻塞\非阻塞

　　所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有获得结果以前，该调用就不会返回。按照这个定义，其实绝大多数函数都是同步调用。可是通常而言，咱们在说同步、异步的时候，特指那些须要其余部件协做或者须要必定时间完成的任务。

#举例：
#1. multiprocessing.Pool下的apply #发起同步调用后，就在原地等着任务结束，根本不考虑任务是在计算仍是在io阻塞，总之就是一股脑地等任务结束
#2. concurrent.futures.ProcessPoolExecutor().submit(func,).result()
#3. concurrent.futures.ThreadPoolExecutor().submit(func,).result()

　　异步的概念和同步相对。当一个异步功能调用发出后，调用者不能马上获得结果。当该异步功能完成后，经过状态、通知或回调来通知调用者。若是异步功能用状态来通知，那么调用者就须要每隔必定时间检查一次，效率就很低（有些初学多线程编程的人，总喜欢用一个循环去检查某个变量的值，这实际上是一 种很严重的错误）。若是是使用通知的方式，效率则很高，由于异步功能几乎不须要作额外的操做。至于回调函数，其实和通知没太多区别。

#举例：
#1. multiprocessing.Pool().apply_async() #发起异步调用后，并不会等待任务结束才返回，相反，会当即获取一个临时结果（并非最终的结果，多是封装好的一个对象）。
#2. concurrent.futures.ProcessPoolExecutor(3).submit(func,)
#3. concurrent.futures.ThreadPoolExecutor(3).submit(func,)

　　阻塞调用是指调用结果返回以前，当前线程会被挂起（如遇到io操做）。函数只有在获得结果以后才会将阻塞的线程激活。有人也许会把阻塞调用和同步调用等同起来，实际上他是不一样的。对于同步调用来讲，不少时候当前线程仍是激活的，只是从逻辑上当前函数没有返回而已。

#举例：
#1. 同步调用：apply一个累计1亿次的任务，该调用会一直等待，直到任务返回结果为止，但并未阻塞住（即使是被抢走cpu的执行权限，那也是处于就绪态）;
#2. 阻塞调用：当socket工做在阻塞模式的时候，若是没有数据的状况下调用recv函数，则当前线程就会被挂起，直到有数据为止。

　　非阻塞和阻塞的概念相对应，指在不能马上获得结果以前也会马上返回，同时该函数不会阻塞当前线程。

小结：

　　1. 同步与异步针对的是函数/任务的调用方式：同步就是当一个进程发起一个函数（任务）调用的时候，一直等到函数（任务）完成，而进程继续处于激活状态。而异步状况下是当一个进程发起一个函数（任务）调用的时候，不会等函数返回，而是继续往下执行当，函数返回的时候经过状态、通知、事件等方式通知进程任务完成。

　　2. 阻塞与非阻塞针对的是进程或线程：阻塞是当请求不能知足的时候就将进程挂起，而非阻塞则不会阻塞当前进程。

6、进程的建立

　　但凡硬件都须要操做系统去管理。有操做系统就有进程，须要有建立进程的方式。

（一）操做系统只为一个应用程序设计：如微波炉一旦启动，全部进程都已存在。

（二）对于通用程序，须要有系统容许过程当中建立或撤销进程的能力：
　　1.系统初始化
　　2.运行一个进程的过程当中开启一个子进程(subprocess模块)。（并发）
　　3.用户交互请求，建立新进程
　　4.批处理做业的初始化

一、新进程的建立

　　新进程的建立都是由一个已经存在的进程执行了一个用于建立进程的系统调用而建立的：

　　1.在UNIX中该系统调用是：fork  进程由操做系统管理。

　　2.在windows中该系统调用是：CreateProcess

二、关于建立的子进程，UNIX和windows系统对比

　　1.相同的是：进程建立后，父进程和子进程有各自不一样的地址空间（多道技术要求物理层面实现进程之间内存的隔离），任何一个进程的在其地址空间中的修改都不会影响到另一个进程。

　　2.不一样的是：在UNIX中，子进程的初始地址空间是父进程的一个副本，提示：子进程和父进程是能够有只读的共享内存区的。可是对于windows系统来讲，从一开始父进程与子进程的地址空间就是不一样的。

7、进程的终止

　　一、正常退出（自愿，如用户点击交互式页面的叉号，或程序执行完毕调用发起系统调用正常退出，在linux中用exit，在windows中用ExitProcess）

　　二、出错退出（自愿，python a.py中a.py不存在）

　　三、严重错误（非自愿，执行非法指令，如引用不存在的内存，1/0等，能够捕捉异常，try...except...）

　　四、被其余进程杀死（非自愿，如kill -9）

8、进程的层次结构

　　相同点：不管UNIX仍是Windows，进程只有一个父进程。

　　不一样点：一、UNIX中全部的进程，都是以init进程为根，组成树形结构。父子进程共同组成一个进程组，当键盘发出一个信号时，该信号被送给当前与键盘相关的进程组中的全部成员。

　　　　　　二、Windows中没有进程层次概念，进程地位相同。建立进程时，父进程获得句柄，能够控制子进程，句柄能够传给其余子进程，所以没有层次。

9、进程的状态

tail -f access.log |grep '404'

执行程序tail，开启一个子进程，执行程序grep，开启另一个子进程，两个进程之间基于管道'|'通信，将tail的结果做为grep的输入。

进程grep在等待输入（即I/O）时的状态称为阻塞，此时grep命令都没法运行

其实在两种状况下会致使一个进程在逻辑上不能运行，

1. 进程挂起是自身缘由，遇到I/O阻塞，便要让出CPU让其余进程去执行，这样保证CPU一直在工做

2. 与进程无关，是操做系统层面，可能会由于一个进程占用时间过多，或者优先级等缘由，而调用其余的进程去使用CPU。

于是一个进程由三种状态

　　

10、进程并发的实现

　　硬件中断一个正在运行的进程，把此时进程运行的全部状态保存下来，为此，操做系统维护一张表格，即进程表（process table），每一个进程占用一个进程表项（这些表项也称为进程控制块）。

　　表存放了进程状态的重要信息：程序计数器、堆栈指针、内存分配情况、全部打开文件的状态、账号和调度信息，以及其余在进程由运行态转为就绪态或阻塞态时，必须保存的信息，从而保证该进程在再次启动时，就像从未被中断过同样。