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文章首發：程式知多少？
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Java 多執行緒系列文章第 1 篇
要講執行緒，一般都得講一講程式，程式是何方神聖呢？下面來簡單介紹一下。
先通過工作管理員看看 Windows 系統下的程式。
從圖片來看，每一個程式都佔有 CPU、記憶體、磁碟、網路等資源。站在作業系統的角度，程式是分配資源的基本單位，也是最小單位。
程式為什麼出現？
引入程式的目的：為了使多個程式能併發執行，以提高資源的利用率和系統的吞吐量。怎麼理解這句話呢？一個程式在執行過程中會涉及很多操作，利用 CPU 計算、通過磁碟 IO 進行資料傳輸等等，我們知道當程式在進行磁碟 IO 的時候，因為速度問題，會比較慢，所在在這個過程中 CPU 會空閒下來，這會造成資源的浪費，正因為引入程式，在 A 程式進行磁碟 IO 的時候，會讓出 CPU 給 B 程式，合理地利用了 CPU 資源，使得程式之間可以併發執行。
從 CPU 角度，執行過程是這樣子的：CPU 一直在負責執行指令，程式之間互相競爭 CPU 資源，下圖有 A 和 B 程式，在一個時間點，CPU 只執行一個程式的指令，因為 CPU 執行很快，所以在我們們看起來，像是多個程式在同時跑。這就是程式帶來的好處：提高資源利用率，併發地執行多個程式。
當然引入程式也不是有益無害，它增加了系統的時間和空間開銷。空間開銷這個好理解，程式有自己的組成部分（下面會講），這個就佔用了空間。時間開銷則是程式切換需要時間。
程式的組成
程式由 3 個部分組成，分別是程式程式碼、資料集、棧和程式控制塊（Process Control Block）。
各自的作用如下：
- 程式程式碼：描述了程式需要完成的功能。
- 資料集、棧：程式在執行時所需要的資料和工作區。
- 程式控制塊：包含程式的描述資訊和控制資訊，它是程式存在的唯一標識。
如何競爭資源（排程演算法）
程式之間需要競爭資源，一般都是競爭 CPU 資源，因為 CPU 執行速度太快了，其他介質都趕不上。有了競爭就需要有規則，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爭資源的遊戲規則。
FCFS
First In First Out（先來先服務）：最先進入就緒佇列的程式，先執行，執行到完成或者阻塞時，再重新排程。一般情況下，這種排程演算法會和優先順序策略結合，比如每個優先順序一條佇列，每條佇列中的排程都使用 FCFS。
特點：簡單、比較偏於長程式、相對於其他排程演算法平均週轉時間長。
RR
Round Robin（輪轉）：程式按提交順序存在就緒佇列，依次輪流佔用 CPU 資源，執行一段固定的時間，時間到後如果還沒執行完，就繼續進入就緒佇列隊尾，排隊等待下次執行。
特點：公平、對程式的響應時間較短。
SPN
Shortest Job Next（最短程式優先）：將預期佔用執行時間最短的程式優先執行，直到執行完成或阻塞時，再重新排程。
特點：有利於短程式。
SRT
Shortest Remaining Time（最短剩餘時間優先）：新程式進來時，如果新程式的預計執行時間比當前程式的剩餘執行時間更短，就搶佔當前程式，
特點：有利於短程式，和 SPN 的差別在於搶佔這個一點，因為搶佔，所以效率會比 SPN 好一些。
HRRN
Highest Response Ratio Next（最高響應比優先）：當前執行的程式完成或者阻塞時發生排程，每次排程前，計算所有就緒程式的響應比，響應比高的程式優先執行。
響應比公式如下所示：
特點：有利於短程式，服務時間相同的程式，先來的服務會優先執行，長程式因為在等待的過程中，優先順序越來越高，所以不會一直不執行。
FB
Feedback （反饋）：由多個就緒佇列組成的反饋機制，它有如下規則：
- 在同一個佇列的程式，按 FCFS 演算法排程，最後一個就緒佇列按 RR 演算法排程；
- 優先順序越高的佇列，時間片越小；
- 程式在一個時間片內未執行完，則降到下一個佇列末尾；
- 只有上級佇列無就緒程式時，才執行本級就緒佇列，本級就緒佇列無程式時，才執行下級就緒佇列，以此類推
程式執行過程如下圖所示
特點：短程式有非常大的優勢，排在前面的佇列都是時間較短的。
以上就是幾個搶佔資源的排程演算法的說明。
程式狀態
上面我們講到，程式之間是在競爭資源，得到資源就執行，沒得到就等待，這個需要有狀態來維護，像很多系統一樣，需要一個狀態機。
三態圖
三態圖也是描述程式狀態最簡單最基礎的圖，它包含了程式的最基本的 3 個狀態，分別是：就緒態、執行態和阻塞態。
Read（就緒態）：程式已得到除 CPU 以外的其他所需資源。
Running（執行態）：程式的指令正被執行。
Blocked（阻塞態）：程式正等待資源或某事件發生。
就緒態的程式在被排程的時候，進入了執行態，如果時間片執行完或者有更高階別程式搶佔資源，則變成就緒態等待再次被排程；如果發生事件（比如 IO 事件），則從執行態轉到阻塞態，進入阻塞態的程式只能等待事件解除重新進入就緒態。
五態圖
基於三態圖，新增了 2 個狀態，分別是：新建態和退出態。
New（新建態）：程式正被建立。分配記憶體後將被設為就緒態。
Exit（退出態）：程式已正常結束或出現異常結束。回收資源。
新程式剛建立還沒有分配資源的時候是新建態，等到分配了資源，被載入後就進入就緒態。當程式執行完後，就從執行態進入退出態。
七態圖
基於五態圖，新增了 2 種掛起態，分別是就緒掛起態和阻塞掛起態。
就緒掛起態：另叫外存就緒態。由於記憶體容量有限，將原位於記憶體的就緒程式轉存到外存（磁碟）上。
阻塞掛起態：另叫外存阻塞態。一樣因為記憶體容量有限，將原位於記憶體的阻塞程式轉存到外存（磁碟）上。
我們可以看出，圖中新增了解除掛起的狀態轉換過程，一般是由於掛起程式優先順序比較高或者記憶體空間足夠，把位於外存（磁碟）的程式轉存到記憶體中。
程式關係
程式之間其實比較獨立，比如我們在日常使用的 QQ 和微信，它們執行起來的程式有什麼關係麼？其實除了互相競爭資源之外，沒有任何關係。
父子關係
雖然上面說的程式之間沒有關係，但是有一個特殊關係需要講，就是父子關係。
先做個試驗，驗證程式的父子關係。操作步驟：
- 開啟 CMD 命令列程式，將當前的視窗設定為 Father，在 Father 視窗通過命令
start cmd啟動另一個 CMD 命令列程式； - 將新開的 CMD 命令列程式的視窗設定為 Son，在 Son 視窗通過命令
start cmd啟動另一個 CMD 命令列程式； - 將新開的 CMD 命令列程式的視窗設定為 Grandson。
操作過程如下圖所示。
通過 ProcessExplorer 可以很清晰看到這 3 個 CMD 程式之間的關係。（想要 ProcessExplorer 外掛可以通過百度網盤下載連結：https://pan.baidu.com/s/19531gf5tD_of1CWxpFR9Dg 提取碼：qhc6）
我們看到 Father、Son、Grandson 三個程式呈現出我們預料中的樹形。那麼什麼是父子程式呢？簡單的說就是在程式中建立出新的程式，這個新的程式就是子程式，一個程式可以有多個子程式，但是隻能有一個父程式。在 Unix 系統中，父程式通過呼叫 fork() 建立子程式，父子程式有如下特點：
- 父、子程式併發執行；
- 父、子程式共享父程式的所有資源；
- 子程式複製父程式的地址空間，甚至有相同的正文段和程式計數器 PC 值；
- 利用寫時複製（Copy On Write）技術減少不必要的複製：fork 時父子共用父空間，當一方試圖修改時才複製。
這裡重點講一下Copy On Write，使用了這個技術，父程式建立子程式的時候不會複製所有資料到子程式，省了複製的時間以及減少了大量的記憶體。這個複製不是必要的，因為如果應用程式在程式複製之後立即載入新程式，那之前的複製工作就是浪費時間和記憶體了。
講了程式父子關係，就免不了提一下殭屍程式和孤兒程式，下面分別介紹一下。
殭屍程式
殭屍程式：子程式退出後，父程式沒有呼叫 wait 或 waitpid 獲取子程式的狀態資訊，子程式的程式描述符仍儲存在系統中，這種程式叫殭屍程式。
殭屍程式的危害：殭屍程式會一直佔用程式號，系統能使用的程式號又是有限的，如果有大量的殭屍程式，會因為沒有可用程式號導致無法建立新的程式。
孤兒程式
孤兒程式：父程式結束退出，而它的子程式還在執行，這時的子程式就叫做孤兒程式。孤兒程式就被 init 程式（程式號為 1）收養，init 程式將對孤兒程式完成狀態收集工作。
孤兒程式沒有危害，因為被 init 程式託管了，init 程式會處理孤兒程式的收集工作。
執行模式
指令分為特權指令（只能由作業系統核心使用的指令）和非特權指令（只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，所以 CPU 也分為 2 種執行模式：系統態（可以執行所有指令，使用所有資源以及改變 CPU 狀態）和使用者態（只能執行非特權指令）。
CPU 的系統態和使用者態之間的切換。
程式間通訊
當程式之間需要資料傳輸、共享資料時，程式間就需要互相通訊，通訊方式有如下幾種，這裡只是簡單概括一下，不展開講，我們的重點在於多執行緒，程式我們們簡單瞭解一下就可以，感興趣的同學可以根據要點進行深入學習。
管道（Pipe）
管道是半雙工通訊，資料是單向流動，要建立程式間互相通訊，則需要 2 個管道，這種通訊方式只能在親戚關係的程式間使用，比如父子程式。
流管道（Flow Pipe）
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係的程式間使用。
有名管道（Named Pipe）
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，支援了非親戚關係的程式通訊。
訊號量（Semophore）
訊號量相當於計數器，利用它來控制多個程式訪問共享資源，當一個程式A在訪問共享資源時，訊號量防止其他程式來訪問，只有當程式A不訪問共享資源了，其他程式才能訪問。
訊號（Signal）
訊號可以在任何時候發給某一程式，不需要知道該程式當前的狀態，如果對方程式未執行，訊號會存在核心中，直到程式執行後傳遞給它；如果對方程式是阻塞，則訊號會延遲傳遞，等到對方程式阻塞取消後才傳遞給它。
訊息佇列（Message Queue）
訊息佇列是存放在核心中的連結串列，可以有多個程式對這個連結串列進行寫入和讀取，它解決了訊號傳遞資訊少、管道只能傳輸無格式位元組流和緩衝區大小受限的缺點。目前有 POSIX 訊息佇列和 System V 訊息佇列。
共享記憶體（Shared Memory）
共享記憶體即為一段能被其他程式訪問的記憶體，多個程式訪問同一個記憶體，達到了通訊的效果。
套接字（Socket）
套接字就是我們網路程式設計裡面的那個套接字，可以通過網路也可以在本機進行通訊，它的好處在於可以跨主機進行通訊。
總結
總的來說，程式是程式在一個資料集上的一次執行過程，它就是程式執行起來的表現。這是我們學習多執行緒的開篇，希望通過這篇文章，讓大家簡單地瞭解程式是什麼，後面我們再來深入瞭解多執行緒。
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