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  • golang 机定时任务管理系统
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    2018-01-30 10:41:46

    源码地址:

       https://github.com/zhenbianshu/gotorch

    特色功能

       ·cron+,秒级定时,使任务执行更加灵活;

       ·任务列表文件路径可以自定义,建议使用版本控制系统;

       ·内置日志和监控系统,方便各位同学任意扩展;

       ·平滑重加载配置文件,一旦配置文件有变动,在不影响正在执行的任务的前提下,平滑加载;

       ·IP、最大执行数、任务类型配置、支持更灵活的任务配置;

     

    技术要点:

    cron+

       在实现类型cron的功能之前,我简单地看了一下cron的源码,源码在https://busybox.net/downloads/可以下载,解压后文件在miscutils>crond.c。

      cron的实现设计很巧妙,大概如下:

    数据结构:

       1.cron拥有一个全局结构体global,保存着各个用户的任务列表;

       2.每一个任务列表是一个结构体CronFile,保存着用户名和任务链表等;

       3.每一个任务CronLine有shell命令、执行pid、执行时间数组cl_Time等属性;

       4.执行时间数组的最大长度根据"分时日月周"的最大确定,将可执行时间点的值置为true,例如每天的3点执行则cl_Hrs[3]=true;

    执行方式:

       1.cron是一个while(true)式的长循环,每次sleep到一下分钟的开始;

       2.cron在每分钟的开始会依次编码检查用户cron配置文件,将更新后的配置文件解析成任务存入全局结构体,同时它也定期检查配置文件是否被修改;

       3.然后cron会将当前时间解析为第n分/时/日/月/周,并判断cal_Time[n]全为true则执行任务。

       4.执行任务时将pid写入防止重复执行;

       5.后续cron还会进行一些异常检测和错误处理等操作。

       明白了 cron 的执行方式后,感觉每个时间单位都遍历任务进行判断于性能有损耗,而且我实现的是秒级执行,遍历判断的性能损耗更大,于是考虑优化成:

       给每个任务设置一个 next_time 的时间戳,在一次执行后更新此时间戳,每个时间单位只需要判断 task.next_time == current_time。

       后来由于 “秒分时日月周” 的日期格式进位不规则,代码太复杂,实现出来效率也不比原来好,终于放弃了这种想法。。采用了跟 cron 一样的执行思路。

       此外,我添加了三种限制任务执行的方式:

       ▪ IP:在服务启动时获取本地内网 IP,执行前校验是否在任务的 IP 列表中;

       ▪ 任务类型:任务为 daemon 的,当任务没有正在执行时则中断判断直接启动;

       ▪ 最大执行数:在每个任务上设置一个执行中任务的 pid 构成的 slice,每次执行前校验当前执行数。

       而任务启动方式,则直接使用 goroutine 配合 exec 包,每次执行任务都启动一个新的 goroutine,保存 pid,同时进行错误处理。由于服务可能会在一秒内多次扫描任务,我给每个任务添加了一个进程上次执行时间戳的属性,待下次执行时对比,防止任务在一秒内多次扫描执行了多次。

    守护进程

       由于 Go 程序在启动时 runtime 可能会创建多个线程(用于内存管理,垃圾回收,goroutine管理等),而 fork 与多线程环境并不能和谐共存,所以 Go 中没有 Unix 系统中的 fork 方法;于是启动守护进程我采用 exec 之后立即执行,即 fork and exec 的方式,而 Go 的 exec 包则支持这种方式。

       在进程最开始时获取并判断进程 ppid 是否为1 (守护进程的父进程退出,进程会被“过继”给 init 进程,其进程号为1),在父进程的进程号不为1时,使用原进程的所有参数 fork and exec 一个跟自己相同的进程,关闭新进程与终端的联系,并退出原进程。

    filePath, _ := filepath.Abs(os.Args[0]) // 获取服务的命令路径
    cmd := exec.Command(filePath, os.Args[1:]...) // 使用自身的命令路径、参数创建一个新的命令
    cmd.Stdin = nil
    cmd.Stdout = nil 
    cmd.Stderr = nil // 关闭进程标准输入、标准输出、错误输出
    cmd.Start() // 新进程执行
    return // 父进程退出

     

     

    信号处理

       将进程制作为守护进程之后,进程与外界的通信就只好依靠信号了,Go 的 signal 包搭配 goroutine 可以方便地监听、处理信号。同时我们使用 syscall 包内的 Kill 方法来向进程发送信号。

       我们监听 Kill 默认发送的信号 SIGTERM,用来处理服务退出前的清理工作,另外我还使用了用户自定义信号 SIGUSR2 用来作为终端通知服务重启的消息。

    一个信号从监听到捕捉再到处理的完整流程如下:

       1、首先我们使用创建一个类型为 os.Sygnal 的无缓冲channel,来存放信号。

        2、使用 signal.Notify() 函数注册要监听的信号,传入刚创建的 channel,在捕捉到信号时接收信号。

        3、创建一个 goroutine,在 channel 中没有信号时 signal := <-channel 会阻塞。

       4、Go 程序一旦捕捉到正在监听的信号,就会把信号通过 channel 传递过来,此时 goroutine 便不会继续阻塞。

       5、通过后面的代码处理对应的信号。

    对应的代码如下:

    c := make(chan os.Signal)
    signal.Notify(c, syscall.SIGTERM, syscall.SIGUSR2) 
    
    // 开启一个goroutine异步处理信号
    go func() {
        s := <-c
        if s == syscall.SIGTERM {
            task.End()
            logger.Debug("bootstrap", "action: end", "pid "+strconv.Itoa(os.Getpid()), "signal "+fmt.Sprintf("%d", s))
            os.Exit(0)
        } else if s == syscall.SIGUSR2 {
            task.End()
            bootStrap(true)
        }
    }()

     

    参考:

    https://www.yuque.com/docs/share/b36e3a35-0816-4068-ab6a-d526f0eb50eb

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  • 线程、进程线程、多进程多任务 小结

    千次阅读 多人点赞 2019-04-20 11:59:56
    目录 1 进程 2 线程 3 多进程 4 线程 5 线程与进程的关系 ...6 线程和进程的区别 ...7 进程的优缺点 ...7.1 进程的优点 ...7.2 进程的缺点 ...9 线程的优缺点 ...9.1 线程的优点 ...9.2 线程的缺点 ...8 多任务(进...

    目录

    1 进程

    2 线程

    3 多进程

    4 多线程

    5 线程与进程的关系

    6 线程和进程的区别

    7 进程的优缺点

    7.1 进程的优点

    7.2 进程的缺点

    8 线程的优缺点

    8.1 线程的优点

    8.2 线程的缺点

    9 多线程的优缺点

    9.1 多线程的优点

    9.2 多线程的缺点

    10多进程的优缺点

    10.1 多进程的优点

    10.2 多进程的缺点

    8 多任务(多进程)

    参考资料


    最近经常看到 多进程,多线程和多任务等名词,很容易混。网上查了很多资料,内容很多。作为Linux初学者,还是想从最基础的开始了解,找通俗的例子了解,由浅入深。我把网上查阅的资料整理的一下,一次性全部摸透,还是有点难度的。写个博客,记录一下,以便后期查阅复习。

    首先,从定义开始,先看一下教科书上 进程线程定义:

    进程:资源分配的最小单位。

    线程:程序执行的最小单位。

    心中默念,啥啥啥,写的这是啥。于是乎 我就想到王宝强一脸懵逼的表情。

     

    1 进程

    进程是程序执行时的一个实例,即它是程序已经执行到课中程度的数据结构的汇集。从内核的观点看,进程的目的就是担当分配系统资源(CPU时间、内存等)的基本单位。

    举例说明进程

    想象一位有一手好厨艺的计算机科学家正在为他的女儿烘制生日蛋糕。他有做生日蛋糕的食谱,厨房里有所需的原料:面粉、鸡蛋、糖、香草汁等。在这个比喻中,做蛋糕的食谱就是程序(即用适当形式描述的算法)计算机科学家就是处理器(CPU),而做蛋糕的各种原料就是输入数据。进程就是厨师阅读食谱、取来各种原料以及烘制蛋糕等一系列动作的总和。现在假设计算机科学家的儿子哭着跑了进来,说他的头被一只蜜蜂蛰了。计算机科学家就记录下他照着食谱做到哪儿了(保存进程的当前状态),然后拿出一本急救手册,按照其中的指示处理蛰伤。这里,我们看到处理机制是从一个进程(做蛋糕)切换到另一个高优先级的进程(实施医疗救治),每个进程拥有各自的程序(食谱和急救手册)。当蜜蜂蛰伤处理完之后,这位计算机科学家又回来做蛋糕,从他离开时的那一步继续做下去。

     

    2 线程

    线程是CPU调度的最小单位(程序执行流的最小单元),它被包含在进程之中,是进程中的实际运作单元。一条线程是进程中一个单一顺序的控制流,一个进程中可以并发多个线程,每条线程并行执行不同的任务。

    一个标准的线程有线程ID、当前指令指针(PC),寄存器集合和堆栈组成。另外,线程是进程中的一个实体,是被系统独立调度和分派的基本单元,线程自己不拥有系统资源,只拥有一点儿在运行中必不可少的资源,但它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤销另一个线程,同一进程中的多个线程之间可以并发执行。由于线程之间的相互制约,致使线程在运行中呈现处间断性。

    线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。就绪状态是指线程具备运行的所有条件,逻辑上可以运行,在等待处理机;运行状态是指线程占有处理机正在运行;阻塞状态是指线程在等待一个事件(如某个信号量),逻辑上不可执行。每一个程序都至少有一个线程,若程序只有一个线程,那就是程序本身。

     

    举例说明线程

    假设,一个文本程序,需要接受键盘输入,将内容显示在屏幕上,还需要保存信息到硬盘中。若只有一个进程,势必造成同一时间只能干一样事的尴尬(当保存时,就不能通过键盘输入内容)。若有多个进程,每个进程负责一个任务,进程A负责接收键盘输入的任务,进程B负责将内容显示在屏幕上的任务,进程C负责保存内容到硬盘中的任务。这里进程A,B,C间的协作涉及到了进程通信问题,而且有共同都需要拥有的东西——-文本内容,不停的切换造成性能上的损失。若有一种机制,可以使任务A,B,C共享资源,这样上下文切换所需要保存和恢复的内容就少了,同时又可以减少通信所带来的性能损耗,那就好了。这种机制就是线程

    总的来说进程有独立的地址空间,线程没有单独的地址空间(同一进程内的线程共享进程的地址空间)。

     

     

    3 多进程

    进程是程序在计算机上的一次执行活动。当你运行一个程序,你就启动了一个进程。显然,程序是死的(静态的),进程是活的(动态的)。进程可以分为系统进程用户进程。凡是用于完成操作系统的各种功能的进程就是系统进程,它们就是处于运行状态下的操作系统本身;所有由用户启动的进程都是用户进程。进程是操作系统进行资源分配的单位。 进程又被细化为线程,也就是一个进程下有多个能独立运行的更小的单位。在同一个时间里,同一个计算机系统中如果允许两个或两个以上的进程处于运行状态,这便是多任务。现代的操作系统几乎都是多任务操作系统,能够同时管理多个进程的运行。 多任务带来的好处是明显的,比如你可以边听网易云音乐,一边上网,与此同时甚至可以将下载的文档打印出来,而这些任务之间丝毫不会相互干扰。那么这里就涉及到并行的问题,俗话说,一心不能二用,这对计算机也一样,原则上一个CPU只能分配给一个进程,以便运行这个进程。我们通常使用的计算机中只有一个CPU,也就是说只有一颗心,要让它一心多用,同时运行多个进程,就必须使用并发技术。实现并发技术相当复杂,最容易理解的是“时间片轮转进程调度算法”,它的思想简单介绍如下:在操作系统的管理下,所有正在运行的进程轮流使用CPU,每个进程允许占用CPU的时间非常短(比如10毫秒),这样用户根本感觉不出来 CPU是在轮流为多个进程服务,就好像所有的进程都在不间断地运行一样。但实际上在任何一个时间内有且仅有一个进程占有CPU。 如果一台计算机有多个CPU,情况就不同了,如果进程数小于CPU数,则不同的进程可以分配给不同的CPU来运行,这样,多个进程就是真正同时运行的,这便是并行

    并行处理(Parallel Processing)是计算机系统中能同时执行两个或更多个处理的一种计算方法。并行处理可同时工作于同一程序的不同方面。并行处理的主要目的是节省大型和复杂问题的解决时间。并发处理(concurrency Processing):指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间,且这几个程序都是在同一个处理机(CPU)上运行,但任一个时刻点上只有一个程序在处理机(CPU)上运行

    并发的关键是你有处理多个任务的能力,不一定要同时。并行的关键是你有同时处理多个任务的能力。所以说,并行是并发的子集。

     

     

    4 多线程

    线程是程序中一个单一的顺序控制流程。进程内一个相对独立的、可调度的执行单元,是系统独立调度和分派CPU的基本单元。在单一程序中同时运行多个想成完成不同的工作,称为多线程

    多线程是为了使得多个线程并行的工作以完成多项任务,以提高系统的效率。线程是在同一时间需要完成多项任务的时候被实现的。

    打个比方:

    多进程是立体交通系统(近似于立交桥),虽然造价高,上坡下坡多耗点油,但是不堵车。

    多线程是平面交通系统,造价低,但红绿灯太多,老堵车。

     

     

    5 线程与进程的关系

    (1)一个线程只能属于一个进程,而一个进程可以有多个线程,但至少有一个线程;

    (2)资源分配给进程,同一进程内的所有线程共享该进程的所有资源;

    (3)线程在执行过程中需要协作同步。不同进程中的线程之间要利用消息通信的方法实现同步;

    (4)处理机分配给线程,即真正在处理机上运行的是线程;

    (5)线程是进程的一个执行单元,也是进程内的可调用实体。

     

     

    6 线程和进程的区别

    (1)线程共享内存空间;进程的内存是独立的;

    (2)同一个进程的线程之间可以直接交流;两个进程想通信,必须通过一个中间代理来实现;

    (3)创建新进程很简单;创建新进程需要对其父进程进行一个克隆;

    (4)一个线程可以控制和操作同一进程里的其他线程;但是进程只能操作子进程;

    (5)改变注线程(如优先权),可能会影响其他线程;改变父进程,不影响子进程。

    (6)调度:线程作为分配和调度的基本单位,进程作为拥有资源的基本单位

    (7)并发性:不进进程之间可以并发执行,同一进程内的线程也可以并发执行

    (8)拥有资源:进程是拥有资源的一个独立单位,线程不拥有系统资源,但是可以访问隶属于进程的系统资源

    (9)系统开销:在创建和撤销进程的时候,系统都要分配和回收资源,导致系统的明显大于创建和撤销线程时的开销。但进程有独立的地址空间,进程崩溃后,在保护模式的下不会对其他进程造成影响,而线程只是进程中的不同执行路径。线程有自己的堆栈和局部变量,但线程之间没有独立的地址空间,一个线程死后就等于整个进程死掉,所以多进程程序要比多线程程序健壮,但是在进程切换的时候消耗的资源较大,效率差。

    根本区别就一点:用多进程每个进程有自己的地址空间(address space),线程则共享地址空间。

    总结:多线程执行效率高;  多进程耗资源,安全。

     

     

    7 进程的优缺点

    7.1 进程的优点

    1)顺序程序的特点:具有封闭性和可再现性;

    2)程序的并发执行和资源共享。多道程序设计出现后,实现了程序的并发执行和资源共享,提高了系统的效率和系统的资源利用率。

     

    7.2 进程的缺点

    操作系统调度切换多个线程要比切换调度进程在速度上快的多。而且进程间内存无法共享,通讯也比较麻烦。线程之间由于共享进程内存空间,所以交换数据非常方便;在创建或撤消进程时,由于系统都要为之分配和回收资源,导致系统的开销明显大于创建或撤消线程时的开销。  

     

     

    8 线程的优缺点

    8.1 线程的优点

    1)它是一种非常"节俭"的多任务操作方式。在Linux系统下,启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间,建立众多的数据表来维护它的代码 段、堆栈段和数据段,这是一种"昂贵"的多任务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程,它们彼此之间使用相同的地址空间,共享大部分数据,启动一个线程 所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间,而且,线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。当然,在具体的系统上,这个数据可能 会有较大的区别;

    2)线程间方便的通信机制,由于同一进程下的线程之间共享数据空间,所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用,这不仅快捷,而且方便;

    3)使多CPU系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于CPU数目时,不同的线程运行于不同的CPU上;

    4)改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程,成为几个独立或半独立的运行部分,这样的程序会利于理解和修改。

     

    8.2 线程的缺点

    1)调度时, 要保存线程状态,频繁调度,需要占用大量的机时;

    2)程序设计上容易出错(线程同步问题)。

     

     

    9 多线程的优缺点

    9.1 多线程的优点

    1)无需跨进程边界; 程序逻辑和控制方式简单;

    2)所有线程可以直接共享内存和变量等;

    3)线程方式消耗的总资源比进程方式好。

     

    9.2 多线程的缺点

    1)每个线程与主程序共用地址空间,受限于2GB地址空间;

    2)线程之间的同步和加锁控制比较麻烦; 一个线程的崩溃可能影响到整个程序的稳定性;

    3)到达一定的线程数程度后,即使再增加CPU也无法提高性能,例如Windows Server 2003,大约是1500个左右的线程数就快到极限了(线程堆栈设定为1M),如果设定线程堆栈为2M,还达不到1500个线程总数;

    4)线程能够提高的总性能有限,而且线程多了之后,线程本身的调度也是一个麻烦事儿,需要消耗较多的CPU 。

     

    10多进程的优缺点

    10.1 多进程的优点

    1)每个进程互相独立,不影响主程序的稳定性,子进程崩溃没关系;

    2)通过增加CPU,就可以容易扩充性能;

    3)可以尽量减少线程加锁/解锁的影响,极大提高性能,就算是线程运行的模块算法效率低也没关系;

    4)每个子进程都有2GB地址空间和相关资源,总体能够达到的性能上限非常大。

     

    10.2 多进程的缺点

    1)逻辑控制复杂,需要和主程序交互;

    2)需要跨进程边界,如果有大数据量传送,就不太好,适合小数据量传送、密集运算 多进程调度开销比较大。

     

    总结:最好是多进程和多线程结合,即根据实际的需要,每个CPU开启一个子进程,这个子进程开启多线程可以为若干同类型的数据进行处理。当然你也可以利用多线程+CPU+轮询方式来解决问题……方法和手段是多样的,关键是自己看起来实现方便有能够满足要求,代价也合适。

     

    按照多个不同的维度(类别),来看看多线程和多进程的对比(注:因为是感性的比较,因此都是相对的,不是说一个好得不得了,另外一个差的无法忍受)。

        对比类别

                                        多进程

                                     多线程

         总结

    数据共享、同步

    数据共享复杂,需要用IPC;数据是分开的,同步简单

    因为共享进程数据,数据共享简单,但也是因为这个原因导致同步复杂

     各有优势

        内存、CPU

    占用内存多,切换复杂,CPU利用率低

    占用内存少,切换简单,CPU利用率高

     线程占优

     创建销毁、切换

    创建销毁、切换复杂,速度慢

    创建销毁、切换简单,速度很快

     线程占优

        编程、调试

    编程简单,调试简单

    编程复杂,调试复杂

     进程占优

           可靠性

    进程间不会互相影响

    一个线程挂掉将导致整个进程挂掉

     进程占优

           分布式

    适应于多核、多机分布式;如果一台机器不够,扩展到多台机器比较简单

    适应于多核分布式

     进程占优

    其实没有绝对的好与坏,只有哪个更加合适的问题。我们来看实际应用中究竟如何判断更加合适。

    1)需要频繁创建销毁的优先用线程

    这种原则最常见的应用就是Web服务器了,来一个连接建立一个线程,断了就销毁线程,要是用进程,创建和销毁的代价是很难承受的

     

    2)需要进行大量计算的优先使用线程

    所谓大量计算,当然就是要耗费很多CPU,切换频繁了,这种情况下线程是最合适的。这种原则最常见的是图像处理、算法处理。

     

    3)强相关的处理用线程,弱相关的处理用进程

    什么叫强相关、弱相关?理论上很难定义,给个简单的例子就明白了。

    一般的Server需要完成如下任务:消息收发、消息处理。“消息收发”和“消息处理”就是弱相关的任务,而“消息处理”里面可能又分为“消息解码”、“业务处理”,这两个任务相对来说相关性就要强多了。因此“消息收发”和“消息处理”可以分进程设计,“消息解码”、“业务处理”可以分线程设计。当然这种划分方式不是一成不变的,也可以根据实际情况进行调整。

     

    4)可能要扩展到多机分布的用进程,多核分布的用线程

     

    5)都满足需求的情况下,用你最熟悉、最拿手的方式

    至于“数据共享、同步”、“编程、调试”、“可靠性”这几个维度的所谓的“复杂、简单”应该怎么取舍,我只能说:没有明确的选择方法。但我可以告诉你一个选择原则:如果多进程和多线程都能够满足要求,那么选择你最熟悉、最拿手的那个。需要提醒的是:虽然我给了这么多的选择原则,但实际应用中基本上都是“进程+线程”的结合方式,千万不要真的陷入一种非此即彼的误区。

     

    8 多任务(多进程)

    现代操作系统比如Mac OS X,UNIX,Linux,Windows等,都是支持“多任务”的操作系统。

    什么叫“多任务”呢?简单地说,就是操作系统可以同时运行多个任务。打个比方,你一边在用浏览器上网,一边在听MP3,一边在用Word写论文,这就是多任务,至少同时有3个任务正在运行。还有很多任务悄悄地在后台同时运行着,只是桌面上没有显示而已。

    现在,多核CPU已经非常普及了,但是,即使过去的单核CPU,也可以执行多任务。由于CPU执行代码都是顺序执行的,那么,单核CPU是怎么执行多任务的呢

    其实操作系统轮流让各个任务交替执行,任务1执行0.01秒,切换到任务2,任务2执行0.01秒,再切换到任务3,执行0.01秒……这样反复执行下去。表面上看,每个任务都是交替执行的,但是,由于CPU的执行速度实在是太快了,我们感觉就像所有任务都在同时执行一样。

    真正的并行执行多任务只能在多核CPU上实现,但是,由于任务数量远远多于CPU的核心数量,所以,操作系统也会自动把很多任务轮流调度到每个核心上执行。

    对于操作系统来说,一个任务就是一个进程(Process),比如打开一个浏览器就是启动一个浏览器进程,打开一个记事本就启动了一个记事本进程,打开两个记事本就启动了两个记事本进程,打开一个Word就启动了一个Word进程。

    有些进程还不止同时干一件事,比如Word,它可以同时进行打字、拼写检查、打印等事情。在一个进程内部,要同时干多件事,就需要同时运行多个“子任务”,我们把进程内的这些 “子任务” 称为线程(Thread)。

    由于每个进程至少要干一件事,所以,一个进程至少有一个线程。当然,像Word这种复杂的进程可以有多个线程,多个线程可以同时执行,多线程的执行方式和多进程是一样的,也是由操作系统在多个线程之间快速切换,让每个线程都短暂地交替运行,看起来就像同时执行一样。当然,真正地同时执行多线程需要多核CPU才可能实现。

     

     

    参考资料

    [1] https://www.cnblogs.com/pingqiang/p/8007549.html#多进程多线程

    [2] https://www.cnblogs.com/ww36315610/p/3881533.html?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg

    [3] http://www.cnblogs.com/Yogurshine/p/3640206.html

    [4] https://www.liaoxuefeng.com/wiki/001374738125095c955c1e6d8bb493182103fac9270762a000/0013868322563729e03f6905ea94f0195528e3647887415000?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg

    [5] https://www.cnblogs.com/yuanchenqi/articles/6755717.html#_label3?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg

    [6] https://www.cnblogs.com/zhanht/p/5401685.html?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg

    [7] https://www.kafan.cn/edu/85866456.html

     

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  • C语言多任务多进程线程

    千次阅读 2018-04-03 15:44:08
    Linux就是一种支持多任务的操作系统,它支持多进程线程等多任务处理和任务之间的多种通信机制。Linux下多任务机制的介绍多任务处理是指用户在同一时间内运行个应用程序,每个应用程序被称做一个任务。Linux...

    多任务的概念人们已经非常熟悉了,它是指用户可以在同一时间内运行多个应用程序。Linux就是一种支持多任务的操作系统,它支持多进程、多线程等多任务处理和任务之间的多种通信机制。

    Linux下多任务机制的介绍

    多任务处理是指用户在同一时间内运行多个应用程序,每个应用程序被称做一个任务。Linux就是一个支持多任务的操作系统,它比单任务系统的功能增强了许多。当多任务操作系统使用某种任务调度策略允许两个或更多进程并发共享一个处理器时,事实上处理器在某一时刻只会给一个任务提供服务。由于任务调度机制保证了不同的任务之间的切换速度十分迅速,因此给人多个任务同时运行的错觉。多任务系统中有3个功能单位:任务、进程和线程,下面分别进程介绍。

    1、任务

    任务是一个逻辑概念,指由一个软件完成的活动,或者是一系列共同达到某一个目的的操作。通常一个任务是一个程序的一次运行,一个任务包含一个或多个完成独立功能的子任务,这个独立的子任务就是进程或线程。例如,一个杀毒软件的一次运行是一个任务,目的是从各种病毒的侵害中保护计算机系统,这个任务包含多个独立功能的子任务(进程或线程),包含实时监控功能、定时查杀功能、防火墙功能及用户交互功能等。个人理解:就好比假设一个应用程序中由一个或多个可执行文件共同执行组成,那么此应用程序的一次执行就是一个任务,而这些可执行文件的执行就是一个进程的执行,而可执行文件是由一个线程或多个线程构成的,当只有一个线程构成了这个进程,则此时进程和线程就是一样的概念(可执行文件的一次运行)。

    2、进程

    进程的基本概念

    进程是一个具有独立功能的程序在某个数据集上的一次动态执行过程,它是系统进行资源分配和调度的基本单位(个人理解:系统好比是一个大型的任务,由多个进程(可执行文件)构成,而资源分配和资源调度分别都是一个进程,所以进程是系统进行资源分配和调度的基本单位)。一次任务的运行可以并发激活多个进程,这些进程相互合作来完成该任务的一个最终的目标。

    进程具有并发性、动态性、交互性、独立性和异步性等主要特性

    • 并发性:指的是系统中多个进程可以同时并发执行,相互之间不受干扰。
    • 动态性:指的是进程都有完整的生命周期,而且在进程的生命周期内,进程的状态是不断变化的。另外,进程具有动态的地址空间(包括代码、数据和进程控制块)。
    • 交互性:指的是进程在执行过程中可能会与其他进程发生直接和间接的交互操作,如进程同步和进程互斥等,需要为此添加一定的进程处理机制。
    • 独立性:指的是进程是一个相对完整的资源分配和调度的基本单位,各个进程的地址空间是相互独立的,只有采用某些特定的通信机制才能实现进程间的通信。
    • 异步性:指的是每个进程都按照各自独立的、不可预知的速度向前执行。
    进程和程序是有本质的区别:程序是静态的一段代码,是一些保存在非易失性存储器的指令的有序集合,没有任何执行的概念;而进程是一个动态的概念,它是程序执行的过程,包括动态创建、调度和消亡的整个过程,它是程序执行和资源管理的最小单位。
    Linux系统中包括以下几种类型的过程:
    • 交互式过程:这类进程进程与用户进程交互,因此要花很多时间等待用户的交互操作(键盘和鼠标操作等)。当接收到用户的交互操作后,这类进程应该很快被允许,而且相应时间的变化也应该很小,否则用户就会觉得系统反应迟钝或者不太稳定。典型的交互式进程有shell命令进程、文本编辑器和图形应用程序运行等。
    • 批处理进程:这类进程不必与用户进行交互,因此进程在后台运行。因为这类进程通常不必很快地相应,因此往往受到调度器的“慢待”。典型的批处理进程有编译器的编译操作、数据库搜索引擎等。
    • 实时进程:这类进程通常对调度响应时间有很高的要求,一般不会被低优先级的进程阻塞。它们不仅要求很短的响应时间,而且更重要的是响应时间的变化应该很小。典型的实时进程有视频和音频的应用程序、实时数据采集系统程序等。

    Linux下的进程结构

    进程不但包括程序的指令和数据,而且包括程序计数器和处理器的所有寄存器以及存储临时数据的进程堆栈,因此正在执行的进程包括处理器当前的一切活动。
    因为Linux是一个多进程的操作系统,所以其他的进程必须等到系统将处理器使用权分配各自己之后才能运行。当正在运行的进程等待其他的系统资源时,Linux内核将取得处理器的控制权,并将处理器分配给其他正在等待的进程,它按照内核中的调度算法决定处理器分配给哪个进程。
    内核将所有进程存放在双向循环链表(进程链表)中,其中链表的头是init_task描述符。链表的每一项都是类型为task_struct,称为进程描述符的结构,该结构包含了与一个进程相关的所有信息,定义在<include/linux/sched.h>文件中。task_struct内核结构比较大,它能完整地描述一个进程,如进程的状态、进程的基本信息、进程标识符、内存相关信息、父进程相关信息、与进程相关的终端信息、当前工作目录、打开的文件信息、所接收到的信号信息等。
    下面详细讲解task_struct结构中最为重要的两个域:state(进程状态)和pid(进程标识符,即进程号)。
    1)进程状态,Linux中的进程有以下几种状态
    • 运行状态(TASK_RUNNING):进程当前正在运行,或者正在运行队列中等待调度。
    创建一个task.c文件,task.c文件内容如下:

    保存后,输入gcc task.c -o task编译生成二进制代码task,输入./task运行task进程

    打开另一个终端,输入 ps -aux查看进程状态:( ps -axjf 可查看进程有哪些子进程, ps -e 也 可以查到进程的状态,但只显示进程的PID、TTY、TIME和CMD)
    ps工具标识进程的5中状态码:
    D 不可中断 uninterruptible sleep (usually IO)
    R 运行 runnable (on run queue)
    S 中断 sleeping
    T 停止 traced or stopped
    Z 僵尸 a defunct ("zombie") process
    注:其它状态还包括W(无驻留页),<(高优先级进程),N(低优先级进程),L(内存锁页)
    每列对应关系:
    USER:进程所有者      
    PID:进程ID    
    %CPU:占用CPU的使用率   
    %MEM:占用内存的使用率   
    VSZ:占用虚拟内存大小 
     RSS:占用内存大小 
    TTY:终端次要装置号码   
    STAT:进程状态  
    START:进程启动时间    
    TIME:进程消耗cup时间   
    COMMAND:命令的名称和参数


    • 可中断的阻塞状态(TASK_INTERRUPTIBLE):进程处于阻塞(睡眠)状态,正在等待某些事件发生或能够占用某些资源。处在这种状态下的进程可以被信号中断。接收到信号或被显式的唤醒呼叫(如调用wake_up系列宏:wake_up、wake_up_interruptible等)唤醒之后,进程转变为TASK_RUNNING状态。
    • 不可中断的阻塞状态(TASK_UNINTERRUPTIBLE):此进程状态类似于可中断的阻塞状态(TASK_INTERRUPTILBE),只是它不会处理信号,把信号传递到这种状态下的进程不能改变它的状态。在一些特定的情况下(进程必须等待,直到某些不可被中断的事件发生),这种状态是很有用的。只有在它所等待的事件发生时,进程被显式的唤醒呼叫唤醒。
    • 可终止的阻塞状态(TASK_KILLABLE):Linux内核2.6.25引入了一种新的进程状态,名为TASK_KILLABLE。该状态的运行机制类似于TASK_UNINTERRUPTILBE,只不过在该状态下的进程可以响应致命信号。它可以替代有效但可能无法终止的不可中断的阻塞状态,以及易于唤醒安全性欠佳的可中断的阻塞状态。
    • 暂停状态(TASK_STOPPED):进程的执行被暂停,当进程收到SIGTOP、SIGTSTP、SIGTTIN、SIGTTOU等信号时,就会进入暂停状态。
    • 跟踪状态(TASK_TRACED):进程的执行被调试器暂停。当一个进程被另一个进程监控是(如调试器使用ptrace()系统调用监控测试程序),任何信号都可以把这个进程置于跟踪状态。
    • 僵尸状态(EXIT_ZOMBIE):进程运行结束,父进程尚未使用wait函数族(如使用waitpid()函数)等系统调用来“收尸”,即等待父进程销毁它。处于该状态下的进程“实体”已经放弃了几乎所有的内存空间,没有任何可执行代码,也不能调度,仅仅在进程列表保留一个位置,记载该进程的退出状态等信息供其他进程收集。
    • 僵尸撤销状态(EXIT_DEAD):这是最终状态,父进程调用wait函数族“收尸”后,进程彻底有系统删除。
    它们之间的转换关系如图所示:

    内核可以使用set_task_state和set_current_state宏来改变指定进程的状态和当前执行进程的状态。
    2)进程标识符
    Linux内核通过唯一的进程标识符PID来标识每个进程。PID存放进程描述符的pid字段中,新创建的PID通常是前一个进程的PID加1,不过PID的值有上限(最大值 = PID_MAX_DEFAULT - 1,通常为32767),我们可以在终端输入 vim /proc/sys/kernel/pid_max 来确定该系统的进程数上限。
    当系统启动后,内核通常作为一个进程的代表。一个指向task_struct的宏current用来记录正在运行的进程。current经常作为进程描述符结构指针的形式出现在内核代码中,例如,current->pid表示处理器正在执行进程的PID。当系统需要查看所有的进程时,则调用for_each_process()宏,这将比系统搜索数组的速度要快得多。
    在Linux中获得当前进程的进程号(PID)和父进程号(PPID)的系统调用函数分别为getpid()和getppid()。
    测试代码:

    测试结果:

    输入  ps -axjf 命令查看所有进程与父进程

    我们在次输入 ps -aux命令查看所有进程,可以得知父进程为bash

    进程的创建、执行和终止

    1)进程的创建和执行
    许多操作系统提供的都是产生进程的机制,也就是说,首先在新的地址空间里创建进程、读入可执行文件、最后在开始执行。Linux中进程的穿件很特别,它把上述步骤分解到两个单独的函数中去执行:fork()和exec函数族。首先fork()函数通过复制当前进程创建一个子进程,子进程与父进程的区别在于不同的PID、PPID和某些资源及统计量。exec函数族负责读取可执行文件并将其载入地址空间开始运行。
    要注意的是,Linux中的fork()函数使用的是写时复制页的技术,也就是内核在创建进程时,其资源并没有被复制过来,资源的复制仅仅只有在需要写入数据时才发生,在此之前只是以只读的方式共享数据。写时复制技术可以使Linux拥有快速执行的能力,因此这个优化是非常重要的。
    2)进程的终止
    进程终结也需要做很多繁琐的收尾工作,系统必须保证回收进程所占的资源,并通知父进程。Linux首先把终止的进程设置为僵尸状态,这时,进程无法投入运行,它的存在只为父进程提供信息,申请死亡。父进程得到信息后,开始调用wait函数族,最后终止子进程,子进程占用的所有资源被全部释放。

    进程的内存结构

    Linux操作系统采用虚拟内存管理技术,使得每个进程都有各自互不干涉的进程地址空间。该地址空间是大小为4GB的线性虚拟空间(当然是指32位系统),用户所看到和接触到的都是该虚拟地址,无法看到实际的物理内存地址。利用这种虚拟地址不但能起到保护操作系统的效果(用户不能直接访问物理内存),而且更重要的是,用户程序可以使用比实际物理内存更大的地址空间。
    我们可以通过命令getconf LONG_BIT 来查询当前自己的系统是多少位的?

    我的安装的UbuntKylin是64位的,即实际内存最大可能达到2^64 = 128GB。(2^10 = 1kb,2^30 = 1GB)。
    4GB的进程地址空间会被分出两部分:用户空间与内核空间。用户地址空间是从0~3GB(0xC0000000),内存地址空间占据3GB~4GB。用户进程通常情况下只能访问用户控件的虚拟地址,不能访问内核空间的虚拟地址。只有用户进程使用系统调用(代表用户进程在内核执行)时可以访问内核空间的虚拟空间。 每当进程切换时,用户空间就会跟着变化;而内核空间有内核负责映射,它并不会跟着进程改变而改变,是固定的。内核空间地址有自己对应的页表,用户进程各自用不同的页表。每个进程用户空间都是完全独立、互不相干的。进程的虚拟内存地址空间如图所示:

    其中用户空间包括以下几个功能区域:
    • 只读段:包含程序代码(.init和.exit)和只读数据(.rodata)
    • 数据段:存放的是全局变量和静态变量。其中可读可写数据段(.data)存放已经初始化的全局变量和静态变量,BSS数据段(.bss)存放未初始化的全局变量和静态变量
    • 堆:由系统自动分配释放,存放函数的参数值、局部变量的值、返回地址等
    • 堆栈:存放动态分配的数据,一般由程序员动态分配和释放。若程序员不释放,程序结束时可能由操作系统回收。
    • 共享库的内存映射区域:这是Linux动态连接器和其他共享库代码的映射区域。
    由于在Linux系统中每一个进程都会有/proc文件系统下与之对应的一个目录(如将init进程的相关信息在/proc/1 目录下的文件中描述,1表示init进程的进程号),因此通过proc文件系统可以查看某个进程的地址空间的映射情况。
    测试代码:

    运行此程序:

    输入  size task

    text:存放的是代码     data:存放的是初始化过的全局变量或静态变量   bss:存放的是未初始化的全局变量或静态变量
    输入命令  cat /proc/3834/maps   其中3834是task的PID

    3、线程

    前面已经提到,进程是系统中程序执行和资源分配的基本单位。每个进程都拥有自己的数据段、代码段和堆栈段,这就造成了进程进程切换等操作时需要较复杂的上下文切换等动作。为了进一步减少处理机制的空转时间,支持多处理器及减少上下文切换开销,进程在演化中出现了另一个概念——线程。它是进程内独立的一条运行路线,是处理器调用的最小单元,也可以成为轻量级进程。线程可以对进程的内存空间和资源进程访问,并与同一个进程中的其他线程共享。因此,线程上下文切换的开销比创建进程小得多。
    一个进程可以拥有多个线程,每个线程必须有一个父进程。线程不拥有系统资源,它只具有运行所必需的一些数据,如堆栈、寄存器与线程控制块(TCB),线程与其父进程的其他线程共享该进程所拥有的全部资源。要注意的是,由线程共享了进程的资源和地址空间,因此,任何线程对系统资源的操作都会给其他线程带来影响。由此可知,多线程中的同步是非常重要的问题。在多线程系统中,进程与线程的关系如图所示:

    在Linux系统中,线程可以分为以下3种:
    用户级线程
    用户级线程主要解决的是上下文切换的问题,它的调度算法和调度过程全部由用户自己选择决定,在运行时不需要特定的内核支持。在这里,操作系统往往会提供一个用户空间的线程库,该线程库提供了线程的创建、调度和撤销等功能,而内核仍然仅对进程进行管理。 如果一个进程中的某一个线程调用了一个阻塞的系统调用函数,那么该进程好吧该进程中的其他所有线程也同时被阻塞。这种用户级线程的主要缺点是在一个进程的多个线程的调度中无法发挥多处理器的优势。
    轻量级进程
    轻量级进程是内核支持的用户线程,是内核线程的一种抽象对象。每个线程拥有一个或多个轻量级进程,而每个轻量级进程分别被绑定在一个内核线程上。
    内核线程
    内核线程允许不同进程中的线程按照同一相对优先调度方法进行调度,这样就可以发挥多处理器的并发优势。现在大多数系统都采用用户级线程与核心级线程并存的方法。一个用户级线程可以对应一个或几个核心级线程,也就是“一对一”或“多对一”模型。这样既可以满足多处理系统的需要,也可以最大限度地减少调度开销。
    使用线程机制大大加快了上下文切换速度,而节省了很多资源。但是因为在用户态和内核态均要实现调度管理,所有会增加实现的复杂度和引起优先级翻转的可能性。同时,一个多线程程序的同步设计与调试也会增加程序实现的难道。
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        通过实践,操作如下,可缩小到2个进程,不能再缩小到一个进程(不知哪位知道怎么做?),但据官方资料,应该是一个UI渲染进程,一个内容进程。可避免当单个页面耗尽绝大部分资源时,避免浏览器卡死,无响应。

    关闭多进程操作步骤:

    1、在浏览器里输入about:config,进入到参数配置页面,在进入时会有安全提示。


    2、在属性查找栏输入:

    browser.tabs.remote.autostart.2

    找到该值,发现为true,双击将其修改为false.


    3、重启浏览器,在浏览器里输入about:support,可以看到:

    多进程窗口     0/1(被禁用)

        这时,通过操作系统的资源管理器查看,你发现firefox进程减少为2个。


    减少进程数操作

        可以在Firefox的选项->常规->性能 里进行设置。

    • 内容进程限制:为了增强安全性,提高性能,Firefox 现启用多进程架构,该架构又名电解(electrolysis,简称 e10s)。启用该架构后,标签页上的网页内容都被移动到 Firefox 主进程以外的独立进程中运行。使用多内容进程功能,能进一步提高安全性,尽可能减小内容进程崩溃所造成的影响。在开启多进程的情况下,您可以修改内容进程数量的限制;但是,使用太多的内容进程可能会导致电脑运行缓慢,也会拖慢 Firefox 本身。推荐设置为最多使用4个内容进程,您最多可设置为7个。

    Fx55-56settings-Performance



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空空如也

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任务管理器进程数太多