java 多線程系列文章第 1 篇
要講線程，一般都得講一講程序，程序是何方神聖呢？下面來簡單介紹一下。
先通過任務管理器看看 windows 系統下的程序。
從圖檔來看，每一個程序都占有 cpu、記憶體、磁盤、網絡等資源。站在作業系統的角度，程序是配置設定資源的基本機關，也是最小機關。
引入程序的目的：為了使多個程式能并發執行，以提高資源的使用率和系統的吞吐量。怎麼了解這句話呢？一個程式在運作過程中會涉及很多操作，利用 cpu 計算、通過磁盤 io 進行資料傳輸等等，我們知道當程式在進行磁盤 io 的時候，因為速度問題，會比較慢，所在在這個過程中 cpu 會空閑下來，這會造成資源的浪費，正因為引入程序，在 a 程序進行磁盤 io 的時候，會讓出 cpu 給 b 程序，合理地利用了 cpu 資源，使得程式之間可以并發執行。
從 cpu 角度，執行過程是這樣子的：cpu 一直在負責執行指令，程序之間互相競争 cpu 資源，下圖有 a 和 b 程序，在一個時間點，cpu 隻執行一個程序的指令，因為 cpu 運作很快，是以在咱們看起來，像是多個程序在同時跑。這就是程序帶來的好處：提高資源使用率，并發地執行多個程式。
當然引入程序也不是有益無害，它增加了系統的時間和空間開銷。空間開銷這個好了解，程序有自己的組成部分（下面會講），這個就占用了空間。時間開銷則是程序程切換需要時間。
程序由 3 個部分組成，分别是程式代碼、資料集、棧和程序控制塊（process control block）。
各自的作用如下：
程式代碼：描述了程序需要完成的功能。
資料集、棧：程式在執行時所需要的資料和工作區。
程序控制塊：包含程序的描述資訊和控制資訊，它是程序存在的唯一辨別。
程序之間需要競争資源，一般都是競争 cpu 資源，因為 cpu 運作速度太快了，其他媒體都趕不上。有了競争就需要有規則，就像遊戲一樣，每個遊戲都需要規則，不同規則會有不同的側重點，這個看過“最強大腦”這個節目的朋友就非常清楚，每道題都有不同的考核側重點，有些是側重空間思維、有些側重邏輯推算等等。下面我們就簡單地一一講解競争資源的遊戲規則。
first in first out（先來先服務）：最先進入就緒隊列的程序，先運作，運作到完成或者阻塞時，再重新排程。一般情況下，這種排程算法會和優先級政策結合，比如每個優先級一條隊列，每條隊列中的排程都使用 fcfs。
特點：簡單、比較偏于長程序、相對于其他排程算法平均周轉時間長。
round robin（輪轉）：程序按送出順序存在就緒隊列，依次輪流占用 cpu 資源，運作一段固定的時間，時間到後如果還沒執行完，就繼續進入就緒隊列隊尾，排隊等待下次執行。
特點：公平、對程序的響應時間較短。
shortest process next（最短程序優先）：将預期占用運作時間最短的程序優先執行，直到運作完成或阻塞時，再重新排程。
特點：有利于短程序。
shortest remaining time（最短剩餘時間優先）：新程序進來時，如果新程序的預計運作時間比目前程序的剩餘運作時間更短，就搶占目前程序，
特點：有利于短程序，和 spn 的差别在于搶占這個一點，因為搶占，是以效率會比 spn 好一些。
highest response ratio next（最高響應比優先）：目前運作的程序完成或者阻塞時發生排程，每次排程前，計算所有就緒程序的響應比，響應比高的程序優先運作。
響應比公式如下所示：
特點：有利于短程序，服務時間相同的程序，先來的服務會優先執行，長程序因為在等待的過程中，優先級越來越高，是以不會一直不執行。
feedback （回報）：由多個就緒隊列組成的回報機制，它有如下規則：
在同一個隊列的程序，按 fcfs 算法排程，最後一個就緒隊列按 rr 算法排程；
優先級越高的隊列，時間片越小；
程序在一個時間片内未運作完，則降到下一個隊列末尾；
隻有上級隊列無就緒程序時，才運作本級就緒隊列，本級就緒隊列無程序時，才運作下級就緒隊列，以此類推
程序執行過程如下圖所示
特點：短程序有非常大的優勢，排在前面的隊列都是時間較短的。
以上就是幾個搶占資源的排程算法的說明。
上面我們講到，程序之間是在競争資源，得到資源就運作，沒得到就等待，這個需要有狀态來維護，像很多系統一樣，需要一個狀态機。
三态圖也是描述程序狀态最簡單最基礎的圖，它包含了程序的最基本的 3 個狀态，分别是：就緒态、運作态和阻塞态。
read（就緒态）：程序已得到除 cpu 以外的其他所需資源。
running（運作态）：程序的指令正被執行。
blocked（阻塞态）：程序正等待資源或某事件發生。
就緒态的程序在被排程的時候，進入了運作态，如果時間片運作完或者有更進階别程序搶占資源，則變成就緒态等待再次被排程；如果發生事件（比如 io 事件），則從運作态轉到阻塞态，進入阻塞态的程序隻能等待事件解除重新進入就緒态。
基于三态圖，新增了 2 個狀态，分别是：建立态和退出态。
new（建立态）：程序正被建立。配置設定記憶體後将被設為就緒态。
exit（退出态）：程序已正常結束或出現異常結束。回收資源。
新程序剛建立還沒有配置設定資源的時候是建立态，等到配置設定了資源，被加載後就進入就緒态。當程序運作完後，就從運作态進入退出态。
基于五态圖，新增了 2 種挂起态，分别是就緒挂起态和阻塞挂起态。
就緒挂起态：另叫外存就緒态。由于記憶體容量有限，将原位于記憶體的就緒程序轉存到外存（磁盤）上。
阻塞挂起态：另叫外存阻塞态。一樣因為記憶體容量有限，将原位于記憶體的阻塞程序轉存到外存（磁盤）上。
我們可以看出，圖中新增了解除挂起的狀态轉換過程，一般是由于挂起程序優先級比較高或者記憶體空間足夠，把位于外存（磁盤）的程序轉存到記憶體中。
程序之間其實比較獨立，比如我們在日常使用的 qq 和微信，它們運作起來的程序有什麼關系麼？其實除了互相競争資源之外，沒有任何關系。
雖然上面說的程序之間沒有關系，但是有一個特殊關系需要講，就是父子關系。
先做個試驗，驗證程序的父子關系。操作步驟：
打開 cmd 指令行程式，将目前的視窗設定為 father，在 father 視窗通過指令<code>start cmd</code>啟動另一個 cmd 指令行程式；
将新開的 cmd 指令行程式的視窗設定為 son，在 son 視窗通過指令<code>start cmd</code>啟動另一個 cmd 指令行程式；
将新開的 cmd 指令行程式的視窗設定為 grandson。
操作過程如下圖所示。
通過 processexplorer 可以很清晰看到這 3 個 cmd 程序之間的關系。（想要 processexplorer 插件可以通過百度網盤下載下傳連結：https://pan.baidu.com/s/19531gf5td_of1cwxpfr9dg 提取碼：qhc6）
我們看到 father、son、grandson 三個程序呈現出我們預料中的樹形。那麼什麼是父子程序呢？簡單的說就是在程序中建立出新的程序，這個新的程序就是子程序，一個程序可以有多個子程序，但是隻能有一個父程序。在 unix 系統中，父程序通過調用 <code>fork()</code> 建立子程序，父子程序有如下特點：
父、子程序并發執行；
父、子程序共享父程序的所有資源；
子程序複制父程序的位址空間，甚至有相同的正文段和程式計數器 pc 值；
利用寫時複制（copy on write）技術減少不必要的複制：fork 時父子共用父空間，當一方試圖修改時才複制。
這裡重點講一下copy on write，使用了這個技術，父程序建立子程序的時候不會複制所有資料到子程序，省了複制的時間以及減少了大量的記憶體。這個複制不是必要的，因為如果應用程式在程序複制之後立即加載新程式，那之前的複制工作就是浪費時間和記憶體了。
講了程序父子關系，就免不了提一下僵屍程序和孤兒程序，下面分别介紹一下。
僵屍程序：子程序退出後，父程序沒有調用 wait 或 waitpid 擷取子程序的狀态資訊，子程序的程序描述符仍儲存在系統中，這種程序叫僵屍程序。
僵屍程序的危害：僵屍程序會一直占用程序号，系統能使用的程序号又是有限的，如果有大量的僵屍程序，會因為沒有可用程序号導緻無法建立新的程序。
孤兒程序：父程序結束退出，而它的子程序還在運作，這時的子程序就叫做孤兒程序。孤兒程序就被 init 程序（程序号為 1）收養，init 程序将對孤兒程序完成狀态收集工作。
孤兒程序沒有危害，因為被 init 程序托管了，init 程序會處理孤兒程序的收集工作。
指令分為特權指令（隻能由作業系統核心使用的指令）和非特權指令（隻能由使用者程式使用的指令），因為指令有特權和非特權之分，是以 cpu 也分為 2 種執行模式：系統态（可以執行所有指令，使用所有資源以及改變 cpu 狀态）和使用者态（隻能執行非特權指令）。
cpu 的系統态和使用者态之間的切換。
當程序之間需要資料傳輸、共享資料時，程序間就需要互相通訊，通訊方式有如下幾種，這裡隻是簡單概括一下，不展開講，咱的重點在于多線程，程序咱們簡單了解一下就可以，感興趣的同學可以根據要點進行深入學習。
管道是半雙工通訊，資料是單向流動，要建立程序間互相通訊，則需要 2 個管道，這種通訊方式隻能在親戚關系的程序間使用，比如父子程序。
流管道是管道進化來的，資料不再是單向流動，可以雙向流動，但是依舊是隻能在親戚關系的程序間使用。
有名管道提供了新的功能，就是給管道設定名字，它改善了上面 2 種管道通訊方式，支援了非親戚關系的程序通訊。
信号量相當于計數器，利用它來控制多個程序通路共享資源，當一個程序a在通路共享資源時，信号量防止其他程序來通路，隻有當程序a不通路共享資源了，其他程序才能通路。
信号可以在任何時候發給某一程序，不需要知道該程序目前的狀态，如果對方程序未執行，信号會存在核心中，直到程序執行後傳遞給它；如果對方程序是阻塞，則信号會延遲傳遞，等到對方程序阻塞取消後才傳遞給它。
消息隊列是存放在核心中的連結清單，可以有多個程序對這個連結清單進行寫入和讀取，它解決了信号傳遞資訊少、管道隻能傳輸無格式位元組流和緩沖區大小受限的缺點。目前有 posix 消息隊列和 system v 消息隊列。
共享記憶體即為一段能被其他程序通路的記憶體，多個程序通路同一個記憶體，達到了通訊的效果。
套接字就是我們網絡程式設計裡面的那個套接字，可以通過網絡也可以在本機進行通信，它的好處在于可以跨主機進行通信。
總的來說，程序是程式在一個資料集上的一次執行過程，它就是程式運作起來的表現。這是我們學習多線程的開篇，希望通過這篇文章，讓大家簡單地了解程序是什麼，後面我們再來深入了解多線程。
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