Python併發程式設計 —— 程序
1、程序概念
顧名思義，程序即正在執行的一個過程。程序是對正在執行程式的一個抽象。程序的概念起源於作業系統，是作業系統最核心的概念，也是作業系統提供的最古老也是最重要的抽象概念之一。作業系統的其他所有內容都是圍繞程序的概念展開的。
程序（Process）是計算機中的程式關於某資料集合上的一次執行活動，是系統進行資源分配和排程的基本單位，是作業系統結構的基礎。在早期面向程序設計的計算機結構中，程序是程式的基本執行實體；在當代面向執行緒設計的計算機結構中，程序是執行緒的容器。程式是指令、資料及其組織形式的描述，程序是程式的實體。
狹義定義：程序是正在執行的程式的例項（an instance of a computer program that is being executed）。
廣義定義：程序是一個具有一定獨立功能的程式關於某個資料集合的一次執行活動。它是作業系統動態執行的基本單元，在傳統的作業系統中，程序既是基本的分配單元，也是基本的執行單元。
第一，程序是一個實體。每一個程序都有它自己的地址空間，一般情況下，包括文字區域（text region）、資料區域（data region）和堆疊（stack region）。文字區域儲存處理器執行的程式碼；資料區域儲存變數和程序執行期間使用的動態分配的記憶體；堆疊區域儲存著活動過程呼叫的指令和本地變數。 第二，程序是一個“執行中的程式”。程式是一個沒有生命的實體，只有處理器賦予程式生命時（作業系統執行之），它才能成為一個活動的實體，我們稱其為程序。 程序是作業系統中最基本、重要的概念。是多道程式系統出現後，為了刻畫系統內部出現的動態情況，描述系統內部各道程式的活動規律引進的一個概念,所有多道程式設計作業系統都建立在程序的基礎上。
2、程序的特性
動態性：程序的實質是程式在多道程式系統中的一次執行過程，程序是動態產生，動態消亡的。
併發性：任何程序都可以同其他程序一起併發執行。
獨立性：程序是一個能獨立執行的基本單位，同時也是系統分配資源和排程的獨立單位；
非同步性：由於程序間的相互制約，使程序具有執行的間斷性，即程序按各自獨立的、不可預知的速度向前推進。
結構特徵：程序由程式、資料和程序控制塊三部分組成。
多個不同的程序可以包含相同的程式：一個程式在不同的資料集裡就構成不同的程序，能得到不同的結果；但是執行過程中，程式不能發生改變。
3、程式與程序(計算機中最小的資源分配單位)
程式是指令和資料的有序集合，其本身沒有任何執行的含義，是一個靜態的概念。
而程序是程式在處理機上的一次執行過程，它是一個動態的概念。
程式可以作為一種軟體資料長期存在，而程序是有一定生命期的。
程式是永久的，程序是暫時的。
# 執行的程式就是程序
# 程序與程序之間的資料是隔離的
4、程序的排程(由作業系統完成的)
被作業系統排程的，每個程序中至少有一個執行緒，在程序中，有一條執行緒是負責具體的執行程式的。
要想多個程序交替執行，作業系統必須對這些程序進行排程，這個排程也不是隨即進行的，而是需要遵循一定的法則，由此就有了程序的排程演算法。
（1）短作業優先演算法
短作業（程序）優先排程演算法（SJ/PF）是指對短作業或短程序優先排程的演算法，該演算法既可用於作業排程，也可用於程序排程。但其對長作業不利；不能保證緊迫性作業（程序）被及時處理；作業的長短只是被估算出來的。
（2）先來先服務演算法（FIFS）
先來先服務（FCFS）排程演算法是一種最簡單的排程演算法，該演算法既可用於作業排程，也可用於程序排程。FCFS演算法比較有利於長作業（程序），而不利於短作業（程序）。由此可知，本演算法適合於CPU繁忙型作業，而不利於I/O繁忙型的作業（程序）。
（3）時間片輪轉演算法
時間片輪轉(Round Robin，RR)法的基本思路是讓每個程序在就緒佇列中的等待時間與享受服務的時間成比例。在時間片輪轉法中，需要將CPU的處理時間分成固定大小的時間片，例如，幾十毫秒至幾百毫秒。如果一個程序在被排程選中之後用完了系統規定的時間片，但又未完成要求的任務，則它自行釋放自己所佔有的CPU而排到就緒佇列的末尾，等待下一次排程。同時，程序排程程式又去排程當前就緒佇列中的第一個程序。
顯然，輪轉法只能用來排程分配一些可以搶佔的資源。這些可以搶佔的資源可以隨時被剝奪，而且可以將它們再分配給別的程序。CPU是可搶佔資源的一種。但印表機等資源是不可搶佔的。由於作業排程是對除了CPU之外的所有系統硬體資源的分配，其中包含有不可搶佔資源，所以作業排程不使用輪轉法。
在輪轉法中，時間片長度的選取非常重要。首先，時間片長度的選擇會直接影響到系統的開銷和響應時間。如果時間片長度過短，則排程程式搶佔處理機的次數增多。這將使程序上下文切換次數也大大增加，從而加重系統開銷。反過來，如果時間片長度選擇過長，例如，一個時間片能保證就緒佇列中所需執行時間最長的程序能執行完畢，則輪轉法變成了先來先服務法。時間片長度的選擇是根據系統對響應時間的要求和就緒佇列中所允許最大的程序數來確定的。
在輪轉法中，加入到就緒佇列的程序有3種情況：
第一種是分給它的時間片用完，但程序還未完成，回到就緒佇列的末尾等待下次排程去繼續執行。
第二種情況是分給該程序的時間片並未用完，只是因為請求I/O或由於程序的互斥與同步關係而被阻塞。當阻塞解除之後再回到就緒佇列。
第三種情況就是新建立程序進入就緒佇列。
如果對這些程序區別對待，給予不同的優先順序和時間片從直觀上看，可以進一步改善系統服務質量和效率。例如，我們可把就緒佇列按照程序到達就緒佇列的型別和程序被阻塞時的阻塞原因分成不同的就緒佇列，每個佇列按FCFS原則排列，各佇列之間的程序享有不同的優先順序，但同一佇列內優先順序相同。這樣，當一個程序在執行完它的時間片之後，或從睡眠中被喚醒以及被建立之後，將進入不同的就緒佇列。
（4）多級反饋演算法
前面介紹的各種用作程序排程的演算法都有一定的侷限性。如短程序優先的排程演算法，僅照顧了短程序而忽略了長程序，而且如果並未指明程序的長度，則短程序優先和基於程序長度的搶佔式排程演算法都將無法使用。
而多級反饋佇列排程演算法則不必事先知道各種程序所需的執行時間，而且還可以滿足各種型別程序的需要，因而它是目前被公認的一種較好的程序排程演算法。在採用多級反饋佇列排程演算法的系統中，排程演算法的實施過程如下所述。
(1) 應設定多個就緒佇列，併為各個佇列賦予不同的優先順序。第一個佇列的優先順序最高，第二個佇列次之，其餘各佇列的優先權逐個降低。該演算法賦予各個佇列中程序執行時間片的大小也各不相同，在優先權愈高的佇列中，為每個程序所規定的執行時間片就愈小。例如，第二個佇列的時間片要比第一個佇列的時間片長一倍，……，第i+1個佇列的時間片要比第i個佇列的時間片長一倍。
(2) 當一個新程序進入記憶體後，首先將它放入第一佇列的末尾，按FCFS原則排隊等待排程。當輪到該程序執行時，如它能在該時間片內完成，便可準備撤離系統；如果它在一個時間片結束時尚未完成，排程程式便將該程序轉入第二佇列的末尾，再同樣地按FCFS原則等待排程執行；如果它在第二佇列中執行一個時間片後仍未完成，再依次將它放入第三佇列，……，如此下去，當一個長作業(程序)從第一佇列依次降到第n佇列後，在第n 佇列便採取按時間片輪轉的方式執行。
(3) 僅當第一佇列空閒時，排程程式才排程第二佇列中的程序執行；僅當第1～(i-1)佇列均空時，才會排程第i佇列中的程序執行。如果處理機正在第i佇列中為某程序服務時，又有新程序進入優先權較高的佇列(第1～(i-1)中的任何一個佇列)，則此時新程序將搶佔正在執行程序的處理機，即由排程程式把正在執行的程序放回到第i佇列的末尾，把處理機分配給新到的高優先權程序。
5、程序的並行、併發、同步、非同步、阻塞、非阻塞
（1）併發與並行
並行：多個程式同時被CPU執行。
併發：多個程式看起來在同時執行，指資源有限的情況下，交替輪流使用資源，目的是提高效率。
# 區別:
並行是從微觀上，也就是在一個精確的時間片刻，有不同的程式在執行，這就要求必須有多個處理器。
併發是從巨集觀上，在一個時間段上可以看出是同時執行的，比如一個伺服器同時處理多個session。
（2）同步與非同步
同步：一個程式執行過程中再呼叫另一個，並且在呼叫的過程中還要等待這個程式執行完畢
非同步：一個程式在執行過程中呼叫了另一個，但是不等待這個任務完畢，就繼續執行start
# 區別
同步：當一個任務的完成需要依賴另外一個任務時，只有等待被依賴的任務完成後，依賴的任務才能算完成，這是一種可靠的任務序列。要麼成功都成功，失敗都失敗，兩個任務的狀態可以保持一致。
非同步：是不需要等待被依賴的任務完成，只是通知被依賴的任務要完成什麼工作，依賴的任務也立即執行，只要自己完成了整個任務就算完成了。至於被依賴的任務最終是否真正完成，依賴它的任務無法確定，所以它是不可靠的任務序列。
（3）阻塞與非阻塞
阻塞：CPU不工作
非阻塞：CPU工作
（4）同步 / 非同步 與 阻塞 / 非阻塞
<1> 同步阻塞形式
效率最低。就比如你在排隊時，只能專心排隊，什麼別的事都不做。
<2> 非同步阻塞形式
非同步操作是可以被阻塞住的，只不過它不是在處理訊息時阻塞，而是在等待訊息通知時被阻塞。就比如你在排隊時，可以幹別的事，但不能出佇列。
<3> 同步非阻塞形式
實際上是效率低下的。就比如在排隊時你一邊打著電話一邊還需要抬頭看到底隊伍排到你了沒有，如果把打電話和觀察排隊的位置看成是程式的兩個操作的話，這個程式需要在這兩種不同的行為之間來回的切換，效率可想而知是低下的。
<4> 非同步非阻塞形式
效率更高，就比如在排隊時，突然發覺自己要去wc，於是讓你前面的人幫你佔一下位置，那麼你就沒有被阻塞在這個等待的操作上面，自然這個就是非同步+非阻塞的方式了。
很多人會把同步和阻塞混淆，是因為很多時候同步操作會以阻塞的形式表現出來，同樣的，很多人也會把非同步和非阻塞混淆，因為非同步操作一般都不會在真正的IO操作處被阻塞。
6、程序的啟動、銷燬
（1）程序的啟動
對於通用系統（能夠跑很多應用程式）需要系統在執行過程中有建立或撤銷程序的能力,主要分為4種形式建立新的程序：
- 系統初始化
- 一個程序在執行過程中開啟了子程序（如nginx開啟多程序，os.fork,subprocess.Popen等）
- 使用者的互動式請求，而建立一個新程序（如使用者雙擊應用軟體）
- 一個批處理作業的初始化（只在大型機的批處理系統中應用）
無論哪一種，新程序的建立都是由一個已經存在的程序執行了一個用於建立程序的系統呼叫而建立的。負責啟動一個程序的程式，被稱為父程序。被啟動的程序，被稱為一個子程序
# 建立程序
1. 在UNIX中該系統呼叫是：fork，fork會建立一個與父程序一模一樣的副本，二者有相同的儲存映像、同樣的環境字串和同樣的開啟檔案（在shell直譯器程序中，執行一個命令就會建立一個子程序）
2. 在windows中該系統呼叫是：CreateProcess，CreateProcess既處理程序的建立，也負責把正確的程式裝入新程序。
# 關於建立子程序，UNIX和windows
1.相同的是：程序建立後，父程序和子程序有各自不同的地址空間（多道技術要求物理層面實現程序之間記憶體的隔離），任何一個程序的在其地址空間中的修改都不會影響到另外一個程序。
2.不同的是：在UNIX中，子程序的初始地址空間是父程序的一個副本，提示：子程序和父程序是可以有隻讀的共享記憶體區的。但是對於windows系統來說，從一開始父程序與子程序的地址空間就是不同的。
## 檢視程序linux中用ps命令，windows中用工作管理員，前臺程序負責與使用者互動，後臺執行的程序與使用者無關，執行在後臺並且只在需要時才喚醒的程序，稱為守護程序，如電子郵件、web頁面、新聞、列印
（2）程序的銷燬
- 正常退出（自願，如使用者點選互動式頁面的叉號，或程式執行完畢呼叫發起系統呼叫正常退出，在linux中用exit，在windows中用ExitProcess）
- 出錯退出（自願，python a.py中a.py不存在）
- 嚴重錯誤（非自願，執行非法指令，如引用不存在的記憶體，1/0等，可以捕捉異常，try...except...）
- 被其他程序殺死（非自願，如kill -9）(在父程序結束子程序)
# 檢視當前程序的程序ID
import os
print(os.getpid()) # 檢視當前程序的程序id
print(os.getppid()) # parent process id # 檢視當前程序的父程序id
# 父子程序：
- 父程序開啟子程序
- 父程序還要負責對結束的子程序進行資源的回收
# 程序id ——>processid ——>pid
- 在同一臺機器上，同一時刻，不可能有兩個重複的程序id
- 程序id不能設定，是作業系統隨機分配的
- 程序id隨著多次執行一個程式可能會被多次分配，每一次都不一樣
7、程序的三種狀態
就緒(ready) 執行(run) 阻塞(block)