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Program、Process、Thread 介紹

發表於 分類於

Program

定義

放在二級儲存裝置 (硬碟) 中，沒有被加載到記憶體的一堆 Code ，中文又稱「程式」，可以想像成它是死的。

Process

定義

已經被加載到記憶體，並且程式碼隨時都會被 CPU 所執行，且其宣告的在記憶體的變數的值會隨著需求而不斷變動，包含程式計數器(process counter)、堆疊(stack)、資料區段(data section)、堆積(heap)。中文稱之為「行程」，可以想像成它是活的。

現代執行緒設計導向的系統中，行程本身不是基本執行單位，而是執行緒的容器

五大狀態

  • new：行程新產生中，已分得 PCB 空間，尚未被載入記憶體。
  • running：獲取 CPU，正在執行。
  • waiting：在 Waiting Queue 等待 I/O Completed 或 Event Occurs，例如等待使用者輸入完成，亦稱「阻塞」（blocked）。
  • ready：已在記憶體內，且在 Ready Queue 排班中，等待 CPU。
  • terminated：完成執行，其 PCB 可能尚未回收，要等其 Parent Process 收集該子 Process 成果才會。

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記憶體配置

  • Stack：存放 函數的參數、區域 變數等。(會稱作 stack 是由於其配置 遵守 LIFO)
  • Heap：一般由程式設計師分配釋放，執行時才會知道配置大小，如 malloc/new 和 free/delete。(注意其資料結構不是 DS 中的 heap 而是 link-list)
  • BSS：未初始化的靜態變數
  • Data：全域變數、靜態變數
  • text/code：常量字元串

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配置練習

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int a=0;   //global 初始化區
char *p1;  //global 未初始化區
main(){
    int b;             // stack
    char s[]="abc";    // stack
    char *p2;          // stack
    char *p3="123456"; // 123456\0 在常量區，p3在stack。
    static int c=0;   // global (static) 初始化區
    p1 = (char*)malloc(10);
    p2 = (char*)malloc(20);  //分配得來得10和20位元組的區域在heap
    strcpy(p1,"123456");  
    //123456\0 在常量區，編譯器可能會將它與 p3 中的 123456\0 優化成一個地方。
}

Thread

定義

是 OS 能夠進行運算排程的最小單位，它被包含在 process 之中，是 process 中的實際運作單位。一個Process的全域變數可以讓它的所有 Threads 共享，而每個 Thread 也有自己的專屬的變數。

記憶體配置

  • Thread ID：執行緒 ID。
  • Thread State：執行緒狀態。
  • Process Counter：程式計數器，負責記錄下一個要執行程式的地址。
  • CPU Register value：指的是 cpu 的暫存器的內容，專門暫存指令、資料和位址的記憶體空間。
  • Stack：負責存放 process 活動過程需要調用的指令及區域變數。

Threads 內會共享

  • Code Section：程式碼區域，每一個行程都是因為 執行某段程式碼 而開啟的。
  • Data Section：資料區域，代表行程會 用到哪些資源。
  • OS Resources

Code section + Data section = memory space, Address space, Heap memory

MultiThread 的好處

  • 允許程式中的某部份 被中斷 或是 執行得非常久 時，該程式仍然可以 繼續執行。
  • 分享 Code/Data Section 和 OS 資源。
  • 輕量化 的 process。(context switch 一個 thread 比 process 快約 5 倍，建立一個 thread 比 process 快約 13 倍。)
  • 可使用 多處理器架構 : 使用 多核心。

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總結

  • Thread 是系統處理工作的基本單元。
  • Thread 是 OS 分配 CPU 時間的對象；Process 是 OS 分配資源的對象。
  • 一個 Process 會同時存在多個 Thread。
  • 一個 Process 底下的 Thread 共享資源，如記憶體、全域變數 (Global Variable) 等，不同的 Process 則否。
  • OS 會根據 Thread 的優先權以及使用過的 CPU 時間，在不同的 Thread 作切換，讓各個 Thread 都有執行的機會。

參考資料

  • https://www.mropengate.com/2015/01/operating-system-ch4-multithread.html
  • https://blog.kennycoder.io/2020/05/16/進程-Process-、線程-Thread-、協程-Coroutine-的概念講解/
  • https://medium.com/erens-tech-book/理解-process-thread-94a40721b492
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