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軟件的核心載體是程序代碼，軟件開發(fā)的主要工作產出也是代碼，但是代碼被存儲在磁盤上本身沒有任何價值，軟件要想實現(xiàn)價值，代碼就必須運行起來。那么代碼是如何運行的？在運行中可能會出現(xiàn)什么問題呢？
一、程序是如何運行起來的
軟件被開發(fā)出來，是文本格式的代碼，這些代碼通常不能直接運行，需要使用編譯器編譯成操作系統(tǒng)或者虛擬機可以運行的代碼，即可執(zhí)行代碼，它們都被存儲在文件系統(tǒng)中。不管是文本格式的代碼還是可執(zhí)行的代碼，都被稱為程序，程序是靜態(tài)的，安靜地呆在磁盤上，什么也干不了。要想讓程序處理數(shù)據，完成計算任務，必須把程序從外部設備加載到內存中，并在操作系統(tǒng)的管理調度下交給 CPU 去執(zhí)行，去運行起來，才能真正發(fā)揮軟件的作用，程序運行起來以后，被稱作進程。
進程除了包含可執(zhí)行的程序代碼，還包括進程在運行期使用的內存堆空間、?？臻g、供操作系統(tǒng)管理用的數(shù)據結構。如下圖所示：
操作系統(tǒng)把可執(zhí)行代碼加載到內存中，生成相應的數(shù)據結構和內存空間后，就從可執(zhí)行代碼的起始位置讀取指令交給 CPU 順序執(zhí)行。指令執(zhí)行過程中，可能會遇到一條跳轉指令，即CPU 要執(zhí)行的下一條指令不是內存中可執(zhí)行代碼順序的下一條指令。編程中使用的循環(huán)for…，while…和 if…else…最后都被編譯成跳轉指令。
程序運行時如果需要創(chuàng)建數(shù)組等數(shù)據結構，操作系統(tǒng)就會在進程的堆空間申請一塊相應的內存空間，并把這塊內存的首地址信息記錄在進程的棧中。堆是一塊無序的內存空間，任何時候進程需要申請內存，都會從堆空間中分配，分配到的內存地址則記錄在棧中。
棧是嚴格的一個后進先出的數(shù)據結構，同樣由操作系統(tǒng)維護，主要用來記錄函數(shù)內部的局部變量、堆空間分配的內存空間地址等。
我們以如下代碼示例，描述函數(shù)調用過程中，棧的操作過程：
voidf(){
intx = g(1);
x++;
//g函數(shù)返回，當前堆棧頂部為f函數(shù)棧幀，在當前棧幀繼續(xù)執(zhí)行f函數(shù)的代碼。
}
intg(int x){
returnx +1;
}
每次函數(shù)調用，操作系統(tǒng)都會在棧中創(chuàng)建一個棧幀（stack frame）。正在執(zhí)行的函數(shù)參數(shù)、局部變量、申請的內存地址等都在當前棧幀中，也就是堆棧的頂部棧幀中。如下圖所示：
當 f 函數(shù)執(zhí)行的時候，f 函數(shù)就在棧頂，棧幀中存儲著 f 函數(shù)的局部變量，輸入參數(shù)等等。當 f 函數(shù)調用 g 函數(shù)，當前執(zhí)行函數(shù)就變成 g 函數(shù)，操作系統(tǒng)會為 g 函數(shù)創(chuàng)建一個棧幀并放置在棧頂。當函數(shù) g() 調用結束，程序返回 f 函數(shù)，g 函數(shù)對應的棧幀出棧，頂部棧幀變又為 f 函數(shù)，繼續(xù)執(zhí)行 f 函數(shù)的代碼，也就是說，真正執(zhí)行的函數(shù)永遠都在棧頂。而且因為棧幀是隔離的，所以不同函數(shù)可以定義相同的變量而不會發(fā)生混亂。
二、一臺計算機如何同時處理數(shù)以百計的任務
我們自己日常使用的 PC 計算機通常只是一核或者兩核的 CPU，我們部署應用程序的服務器雖然有更多的 CPU 核心，通常也不過幾核或者幾十核。但是我們的 PC 計算機可以同時編程、聽音樂，而且還能執(zhí)行下載任務，而服務器則可以同時處理數(shù)以百計甚至數(shù)以千計的并發(fā)用戶請求。
那么為什么一臺計算機服務器可以同時處理數(shù)以百計，以千計的計算任務呢？這里主要依靠的是操作系統(tǒng)的 CPU 分時共享技術。如果同時有很多個進程在執(zhí)行，操作系統(tǒng)會將 CPU的執(zhí)行時間分成很多份，進程按照某種策略輪流在 CPU 上運行。由于現(xiàn)代 CPU 的計算能力非常強大，雖然每個進程都只被執(zhí)行了很短一個時間，但是在外部看來卻好像是所有的進程都在同時執(zhí)行，每個進程似乎都獨占一個 CPU 執(zhí)行。
所以雖然從外部看起來，多個進程在同時運行，但是在實際物理上，進程并不總是在 CPU上運行的，一方面進程共享 CPU，所以需要等待 CPU 運行，另一方面，進程在執(zhí)行 I/O操作的時候，也不需要 CPU 運行。進程在生命周期中，主要有三種狀態(tài)，運行、就緒、阻塞。
- 運行：當一個進程在 CPU 上運行時，則稱該進程處于運行狀態(tài)。處于運行狀態(tài)的進程的數(shù)目小于等于 CPU 的數(shù)目。
- 就緒：當一個進程獲得了除 CPU 以外的一切所需資源，只要得到 CPU 即可運行，則稱此進程處于就緒狀態(tài)，就緒狀態(tài)有時候也被稱為等待運行狀態(tài)。
- 阻塞：也稱為等待或睡眠狀態(tài)，當一個進程正在等待某一事件發(fā)生（例如等待 I/O 完成，等待鎖……）而暫時停止運行，這時即使把 CPU 分配給進程也無法運行，故稱該進程處于阻塞狀態(tài)。
不同進程輪流在 CPU 上執(zhí)行，每次都要進行進程間 CPU 切換，代價是非常大的，實際上，每個用戶請求對應的不是一個進程，而是一個線程。線程可以理解為輕量級的進程，在進程內創(chuàng)建，擁有自己的線程棧，在 CPU 上進行線程切換的代價也更小。線程在運行時，和進程一樣，也有三種主要狀態(tài)，從邏輯上看，進程的主要概念都可以套用到線程上。我們在進行服務器應用開發(fā)的時候，通常都是多線程開發(fā)，理解線程對我們設計、開發(fā)軟件更有價值。
三、系統(tǒng)為什么會變慢，為什么會崩潰
現(xiàn)在的服務器軟件系統(tǒng)主要使用多線程技術實現(xiàn)多任務處理，完成對很多用戶的并發(fā)請求處理。也就是我們開發(fā)的應用程序通常以一個進程的方式在操作系統(tǒng)中啟動，然后在進程中創(chuàng)建很多線程，每個線程處理一個用戶請求。
以 Java 的 web 開發(fā)為例，似乎我們編程的時候通常并不需要自己創(chuàng)建和啟動線程，那么我們的程序是如何被多線程并發(fā)執(zhí)行，同時處理多個用戶請求的呢？實際中，啟動多線程，為每個用戶請求分配一個處理線程的工作是在 web 容器中完成的，比如常用的 Tomcat 容器。
如下圖所示：
Tomcat 啟動多個線程，為每個用戶請求分配一個線程，調用和請求 URL 路徑相對應的Servlet（或者 Controller）代碼，完成用戶請求處理。而 Tomcat 則在 JVM 虛擬機進程中，JVM 虛擬機則被操作系統(tǒng)當做一個獨立進程管理。真正完成最終計算的，是 CPU、內存等服務器硬件，操作系統(tǒng)將這些硬件進行分時（CPU）、分片（內存）管理，虛擬化成一個獨享資源讓 JVM 進程在其上運行。
以上就是一個 Java web 應用運行時的主要架構，有時也被稱作架構過程視圖。需要注意的是，這里有個很多 web 開發(fā)者容易忽略的事情，那就是不管你是否有意識，你開發(fā)的 web程序都是被多線程執(zhí)行的，web 開發(fā)天然就是多線程開發(fā)。
CPU 以線程為單位進行分時共享執(zhí)行，可以想象代碼被加載到內存空間后，有多個線程在這些代碼上執(zhí)行，這些線程從邏輯上看，是同時在運行的，每個線程有自己的線程棧，所有的線程棧都是完全隔離的，也就是每個方法的參數(shù)和方法內的局部變量都是隔離的，一個線程無法訪問到其他線程的棧內數(shù)據。
但是當某些代碼修改內存堆里的數(shù)據的時候，如果有多個線程在同時執(zhí)行，就可能會出現(xiàn)同時修改數(shù)據的情況，比如，兩個線程同時對一個堆中的數(shù)據執(zhí)行 +1 操作，最終這個數(shù)據只會被加一次，這就是人們常說的線程安全問題，實際上線程的結果應該是依次加一，即最終的結果應該是 +2。
多個線程訪問共享資源的這段代碼被稱為臨界區(qū)，解決線程安全問題的主要方法是使用鎖，將臨界區(qū)的代碼加鎖，只有獲得鎖的線程才能執(zhí)行臨界區(qū)代碼，如下：
如果當前線程執(zhí)行到第一行，獲得鎖的代碼的時候，鎖已經被其他線程獲取并沒有釋放，那么這個線程就會進入阻塞狀態(tài)，等待前面釋放鎖的線程將自己喚醒重新獲得鎖。
鎖會引起線程阻塞，如果有很多線程同時在運行，那么就會出現(xiàn)線程排隊等待鎖的情況，線程無法并行執(zhí)行，系統(tǒng)響應速度就會變慢。此外 I/O 操作也會引起阻塞，對數(shù)據庫連接的獲取也可能會引起阻塞。目前典型的 web 應用都是基于 RDBMS 關系數(shù)據庫的，web 應用要想訪問數(shù)據庫，必須獲得數(shù)據庫連接，而受數(shù)據庫資源限制，每個 web 應用能建立的數(shù)據庫的連接是有限的，如果并發(fā)線程數(shù)超過了連接數(shù)，那么就會有部分線程無法獲得連接而進入阻塞，等待其他線程釋放連接后才能訪問數(shù)據庫，并發(fā)的線程數(shù)越多，等待連接的時間也越多，從 web 請求者角度看，響應時間變長，系統(tǒng)變慢。
lock.lock();
//線程獲得鎖
i++;
//臨界區(qū)代碼，i位于堆中
lock.unlock();
//線程釋放鎖
被阻塞的線程越多，占據的系統(tǒng)資源也越多，這些被阻塞的線程既不能繼續(xù)執(zhí)行，也不能釋放當前已經占據的資源，在系統(tǒng)中一邊等待一邊消耗資源，如果阻塞的線程數(shù)超過了某個系統(tǒng)資源的極限，就會導致系統(tǒng)宕機，應用崩潰。
解決系統(tǒng)因高并發(fā)而導致的響應變慢、應用崩潰的主要手段是使用分布式系統(tǒng)架構，用更多的服務器構成一個集群，以便共同處理用戶的并發(fā)請求，保證每臺服務器的并發(fā)負載不會太高。此外必要時還需要在請求入口處進行限流，減小系統(tǒng)的并發(fā)請求數(shù)；在應用內進行業(yè)務降級，減小線程的資源消耗。
四、總結
事實上，現(xiàn)代 CPU 和操作系統(tǒng)的設計遠比這篇文章講的要復雜得多，但是基礎原理大致就是如此。為了讓程序能很好地被執(zhí)行，軟件開發(fā)的時候要考慮很多情況，為了讓軟件能更好地發(fā)揮效能，需要在部署上進行規(guī)劃和架構。軟件是如何運行的，應該是軟件工程師和架構師的常識，在設計開發(fā)軟件的時候，應該時刻以常識去審視自己的工作，保證軟件開發(fā)在正確的方向上前進。
