3二、python并发编程之背景知识

目录：

• 一 引子

• 二 为何要有操做系统

• 三 什么是操做系统

• 四 操做系统与普通软件的区别

• 五 操做系统发展史

• 六 总结视频连接：

一 引子

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

二 为何要有操做系统

现代的计算机系统主要是由一个或者多个处理器，主存，硬盘，键盘，鼠标，显示器，打印机，网络接口及其余输入输出设备组成。

通常而言，现代计算机系统是一个复杂的系统。

其一：若是每位应用程序员都必须掌握该系统全部的细节，那就不可能再编写代码了（严重影响了程序员的开发效率：所有掌握这些细节可能须要一万年....）

其二：而且管理这些部件并加以优化使用，是一件极富挑战性的工做，因而，计算安装了一层软件（系统软件），称为操做系统。它的任务就是为用户程序提供一个更好、更简单、更清晰的计算机模型，并管理刚才提到的全部设备。

总结：

程序员没法把全部的硬件操做细节都了解到，管理这些硬件而且加以优化使用是很是繁琐的工做，这个繁琐的工做就是操做系统来干的，有了他，程序员就从这些繁琐的工做中解脱了出来，只须要考虑本身的应用软件的编写就能够了，应用软件直接使用操做系统提供的功能来间接使用硬件。

三 什么是操做系统

精简的说的话，操做系统就是一个协调、管理和控制计算机硬件资源和软件资源的控制程序。操做系统所处的位置如图1

#操做系统位于计算机硬件与应用软件之间，本质也是一个软件。操做系统由操做系统的内核（运行于内核态，管理硬件资源）以及系统调用（运行于用户态，为应用程序员写的应用程序提供系统调用接口）两部分组成，因此，单纯的说操做系统是运行于内核态的，是不许确的。

 

 

图1

细说的话，操做系统应该分红两部分功能：

#一：隐藏了丑陋的硬件调用接口，为应用程序员提供调用硬件资源的更好，更简单，更清晰的模型（系统调用接口）。应用程序员有了这些接口后，就不用再考虑操做硬件的细节，专心开发本身的应用程序便可。
例如：操做系统提供了文件这个抽象概念，对文件的操做就是对磁盘的操做，有了文件咱们无需再去考虑关于磁盘的读写控制（好比控制磁盘转动，移动磁头读写数据等细节），
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#二：将应用程序对硬件资源的竞态请求变得有序化
例如：不少应用软件实际上是共享一套计算机硬件，比方说有可能有三个应用程序同时须要申请打印机来输出内容，那么a程序竞争到了打印机资源就打印，而后多是b竞争到打印机资源，也多是c，这就致使了无序，打印机可能打印一段a的内容而后又去打印c...,操做系统的一个功能就是将这种无序变得有序。

详解

现代计算机或者网络都是多用户的，多个用户不只共享硬件，并且共享文件，数据库等信息，共享意味着冲突和无序。
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操做系统主要使用来
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1.记录哪一个程序使用什么资源
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2.对资源请求进行分配
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3.为不一样的程序和用户调解互相冲突的资源请求。
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咱们可将上述操做系统的功能总结为：处理来自多个程序发起的多个（多个即多路）共享（共享即复用）资源的请求，简称多路复用
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多路复用有两种实现方式
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1.时间上的复用
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当一个资源在时间上复用时，不一样的程序或用户轮流使用它，第一个程序获取该资源使用结束后，在轮到第二个。。。第三个。。。
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例如：只有一个cpu，多个程序须要在该cpu上运行，操做系统先把cpu分给第一个程序，在这个程序运行的足够长的时间（时间长短由操做系统的算法说了算）或者遇到了I/O阻塞，操做系统则把cpu分配给下一个程序，以此类推，直到第一个程序从新被分配到了cpu而后再次运行，因为cpu的切换速度很快，给用户的感受就是这些程序是同时运行的，或者说是并发的，或者说是伪并行的。至于资源如何实现时间复用，或者说谁应该是下一个要运行的程序，以及一个任务须要运行多长时间，这些都是操做系统的工做。
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2.空间上的复用
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每一个客户都获取了一个大的资源中的一小部分资源，从而减小了排队等待资源的时间。
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例如：多个运行的程序同时进入内存，硬件层面提供保护机制来确保各自的内存是分割开的，且由操做系统控制，这比一个程序独占内存一个一个排队进入内存效率要高的多。
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有关空间复用的其余资源还有磁盘，在许多系统中，一个磁盘同时为许多用户保存文件。分配磁盘空间而且记录谁正在使用哪一个磁盘块是操做系统资源管理的典型任务。
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这两种方式合起来即是多道技术

 

 

图 2

四 操做系统与普通软件的区别

1.主要区别是：你不想用暴风影音了你能够选择用迅雷播放器或者干脆本身写一个，可是你没法写一个属于操做系统一部分的程序（时钟中断处理程序），操做系统由硬件保护，不能被用户修改。

2.操做系统与用户程序的差别并不在于两者所处的地位。特别地，操做系统是一个大型、复杂、长寿的软件，

• 大型：linux或windows的源代码有五百万行数量级。按照每页50行共1000行的书来算，五百万行要有100卷，要用一整个书架子来摆置，这还仅仅是内核部分。用户程序，如GUI，库以及基本应用软件（如windows Explorer等），很容易就能达到这个数量的10倍或者20倍之多。

• 长寿：操做系统很难编写，如此大的代码量，一旦完成，操做系统全部者便不会轻易扔掉，再写一个。而是在原有的基础上进行改进。（基本上能够把windows95/98/Me看出一个操做系统，而windows NT/2000/XP/Vista则是两位一个操做系统，对于用户来讲它们十分类似。还有UNIX以及它的变体和克隆版本也演化了多年，如System V版，Solaris以及FreeBSD等都是Unix的原始版，不过尽管linux很是依照UNIX模式而仿制，而且与UNIX高度兼容，可是linux具备全新的代码基础）

五 操做系统发展史

第一代计算机（1940~1955）：真空管和穿孔卡片

第一代计算机的产生背景：

第一代以前人类是想用机械取代人力，第一代计算机的产生是计算机由机械时代进入电子时代的标志，从Babbage失败以后一直到第二次世界大战，数字计算机的建造几乎没有什么进展，第二次世界大战刺激了有关计算机研究的爆炸性进展。

lowa州立大学的john Atanasoff教授和他的学生Clifford Berry建造了据认为是第一台可工做的数字计算机。该机器使用300个真空管。大约在同时，Konrad Zuse在柏林用继电器构建了Z3计算机，英格兰布莱切利园的一个小组在1944年构建了Colossus，Howard Aiken在哈佛大学建造了Mark 1，宾夕法尼亚大学的William Mauchley和他的学生J.Presper Eckert建造了ENIAC。这些机器有的是二进制的，有的使用真空管，有的是可编程的，但都很是原始，设置须要花费数秒钟时间才能完成最简单的运算。

在这个时期，同一个小组里的工程师们，设计、建造、编程、操做及维护同一台机器，全部的程序设计是用纯粹的机器语言编写的，甚至更糟糕，须要经过成千上万根电缆接到插件板上连成电路来控制机器的基本功能。没有程序设计语言（汇编也没有），操做系统则是历来都没据说过。使用机器的过程更加原始，详见下‘工做过程’

特色： 没有操做系统的概念 全部的程序设计都是直接操控硬件

工做过程： 程序员在墙上的机时表预定一段时间，而后程序员拿着他的插件版到机房里，将本身的插件板街道计算机里，这几个小时内他独享整个计算机资源，后面的一批人都得等着(两万多个真空管常常会有被烧坏的状况出现)。

后来出现了穿孔卡片，能够将程序写在卡片上，而后读入机而不用插件板

优势：

程序员在申请的时间段内独享整个资源，能够即时地调试本身的程序（有bug能够马上处理）

缺点：

浪费计算机资源，一个时间段内只有一我的用。 注意：同一时刻只有一个程序在内存中，被cpu调用执行，比方说10个程序的执行，是串行的

第二代计算机*（1955~1965）*：晶体管和批处理系统

第二代计算机的产生背景：

因为当时的计算机很是昂贵，自认很天然的想办法较少机时的浪费。一般采用的方法就是批处理系统。

特色： 设计人员、生产人员、操做人员、程序人员和维护人员直接有了明确的分工，计算机被锁在专用空调房间中，由专业操做人员运行，这即是‘大型机’。

有了操做系统的概念

有了程序设计语言：FORTRAN语言或汇编语言，写到纸上，而后穿孔打成卡片，再讲卡片盒带到输入室，交给操做员，而后喝着咖啡等待输出接口

工做过程：插图

 

 

 

 

第二代如何解决第一代的问题/缺点： 1.把一堆人的输入攒成一大波输入， 2.而后顺序计算（这是有问题的，可是第二代计算也没有解决） 3.把一堆人的输出攒成一大波输出

现代操做系统的前身:(见图）

优势：批处理，节省了机时

缺点： 1.整个流程须要人参与控制，将磁带搬来搬去（中间俩小人）

2.计算的过程仍然是顺序计算-》串行

3.程序员原来独享一段时间的计算机，如今必须被统一规划到一批做业中，等待结果和从新调试的过程都须要等同批次的其余程序都运做完才能够（这极大的影响了程序的开发效率，没法及时调试程序）

第三代计算机*（1965~1980）*：集成电路芯片和多道程序设计

第三代计算机的产生背景：

20世纪60年代初期，大多数计算机厂商都有两条彻底不兼容的生产线。

一条是面向字的：大型的科学计算机，如IBM 7094，见上图，主要用于科学计算和工程计算

另一条是面向字符的：商用计算机，如IBM 1401，见上图，主要用于银行和保险公司从事磁带归档和打印服务

开发和维护彻底不一样的产品是昂贵的，同时不一样的用户对计算机的用途不一样。

IBM公司试图经过引入system/360系列来同时知足科学计算和商业计算，360系列低档机与1401至关，高档机比7094功能强不少，不一样的性能卖不一样的价格

360是第一个采用了（小规模）芯片（集成电路）的主流机型，与采用晶体管的第二代计算机相比，性价比有了很大的提升。这些计算机的后代仍在大型的计算机中内心使用，此乃如今服务器的前身，这些服务器每秒处理不小于千次的请求。

如何解决第二代计算机的问题1： 卡片被拿到机房后可以很快的将做业从卡片读入磁盘，因而任什么时候刻当一个做业结束时，操做系统就能将一个做业从磁带读出，装进空出来的内存区域运行，这种技术叫作 同时的外部设备联机操做：SPOOLING，该技术同时用于输出。当采用了这种技术后，就不在须要IBM1401机了，也没必要将磁带搬来搬去了（中间俩小人再也不须要）

如何解决第二代计算机的问题2：

第三代计算机的操做系统普遍应用了第二代计算机的操做系统没有的关键技术：多道技术

*cpu在执行一个任务的过程当中，若须要操做硬盘，则发送操做硬盘的指令，指令一旦发出，硬盘上的机械手臂滑动读取数据到内存中，这一段时间，cpu须要等待，时间可能很短，但对于cpu来讲已经很长很长，长到可让cpu作不少其余的任务，若是咱们让cpu在这段时间内切换到去作其余的任务，这样cpu不就充分利用了吗。这正是多道技术产生的技术背景*

多道技术：

多道技术中的多道指的是多个程序，多道技术的实现是为了解决多个程序竞争或者说共享同一个资源（好比cpu）的有序调度问题，解决方式即多路复用，多路复用分为时间上的复用和空间上的复用。

空间上的复用：将内存分为几部分，每一个部分放入一个程序，这样，同一时间内存中就有了多道程序。

 

 

时间上的复用：当一个程序在等待I/O时，另外一个程序可使用cpu，若是内存中能够同时存放足够多的做业，则cpu的利用率能够接近100%，相似于咱们小学数学所学的统筹方法。（操做系统采用了多道技术后，能够控制进程的切换，或者说进程之间去争抢cpu的执行权限。这种切换不只会在一个进程遇到io时进行，一个进程占用cpu时间过长也会切换，或者说被操做系统夺走cpu的执行权限）

 

详解

空间上的复用最大的问题是：程序之间的内存必须分割，这种分割须要在硬件层面实现，由操做系统控制。若是内存彼此不分割，则一个程序能够访问另一个程序的内存，

首先丧失的是安全性，好比你的qq程序能够访问操做系统的内存，这意味着你的qq能够拿到操做系统的全部权限。

其次丧失的是稳定性，某个程序崩溃时有可能把别的程序的内存也给回收了，比方说把操做系统的内存给回收了，则操做系统崩溃。

第三代计算机的操做系统仍然是批处理

许多程序员怀念第一代独享的计算机，能够即时调试本身的程序。为了知足程序员们很快能够获得响应，出现了分时操做系统

如何解决第二代计算机的问题3：

分时操做系统： 多个联机终端+多道技术

20个客户端同时加载到内存，有17在思考，3个在运行，cpu就采用多道的方式处理内存中的这3个程序，因为客户提交的通常都是简短的指令并且不多有耗时长的，索引计算机可以为许多用户提供快速的交互式服务，全部的用户都觉得本身独享了计算机资源

CTTS：麻省理工（MIT）在一台改装过的7094机上开发成功的，CTSS兼容分时系统，第三代计算机普遍采用了必须的保护硬件（程序之间的内存彼此隔离）以后，分时系统才开始流行

MIT，贝尔实验室和通用电气在CTTS成功研制后决定开发可以同时支持上百终端的MULTICS（其设计者着眼于建造知足波士顿地区全部用户计算需求的一台机器），很明显真是要上天啊，最后摔死了。

后来一位参加过MULTICS研制的贝尔实验室计算机科学家Ken Thompson开发了一个简易的，单用户版本的MULTICS，这就是后来的UNIX系统。基于它衍生了不少其余的Unix版本，为了使程序能在任何版本的unix上运行，IEEE提出了一个unix标准，即posix（可移植的操做系统接口Portable Operating System Interface）

后来，在1987年，出现了一个UNIX的小型克隆，即minix，用于教学使用。芬兰学生Linus Torvalds基于它编写了Linux

第四代计算机*（1980~至今）：我的计算机*

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。

六 总结

必备的理论基础：

#一 操做系统的做用：    1：隐藏丑陋复杂的硬件接口，提供良好的抽象接口    2：管理、调度进程，而且将多个进程对硬件的竞争变得有序​#二 多道技术：    1.产生背景：针对单核，实现并发    ps：    如今的主机通常是多核，那么每一个核都会利用多道技术    有4个cpu，运行于cpu1的某个程序遇到io阻塞，会等到io结束再从新调度，会被调度到4个    cpu中的任意一个，具体由操做系统调度算法决定。​    2.空间上的复用：如内存中同时有多道程序    3.时间上的复用：复用一个cpu的时间片       强调：遇到io切，占用cpu时间过长也切，核心在于切以前将进程的状态保存下来，这样            才能保证下次切换回来时，能基于上次切走的位置继续运行