電腦運行時任務的的單元是什麼呢？ 這個涉及了「程式(Program)」、「進程(Process)」、「線程(Thread)」的概念，是面試時經常會被問到的題目，首先默念默背一下教科書上 Process 和 Thread 的簡單定義：

  • Process： 資源分配的最小單位
  • Thread： CPU 執行的最小單位

在實際生活中如點開一個聊天應用程式，這就是將 Program 活化成 Process 的例子，因此我們可以在電腦的資源管理器 Monitor 中看到 PID (Process ID) ; 再繼續以聊天室 Process 為例，我們可以同時「接受對方傳來的訊息」以及「發送自己的訊息給對方」，這就是同個 Process 中不同 Thread 的功勞。

Program - 常見翻譯 : 程式、程序

我們在 IDE 內所寫的且還尚未 load 入記憶體的 code 我們稱之為 Program，然後當 CPU 讀取硬碟中的 code 到 in-memory 中運行就是 Process，在 in-memory 中的可執行的 Program 實例就是 Process 。

若以 Java 的物件導向的觀念來比擬， Program 可以想成相當於 Java 的 Class 功能。而相同 Program 的 Process 可以多個同時存在，如同 Java 的 Class 一樣，是可以一直 new 出新的 instance 的

Process - 常見翻譯 : 進程

Process 是一個正在執行的 program 實例。它擁有獨立的記憶體空間(address space)和資源環境，是作業系統分配資源的最基本單位。

  • Operating System Principles :
    • 原則上一顆 CPU 一次只能執行一個 Process ，因此 Process 的使用需要被排程(Scheduling) => 恐龍本第五章
    • 每個 Process 間在記憶體中 Memory-Management 是要注意的事情 => 恐龍本第八章

  • 每一個 Process 基本是互相獨立的
  • Process 不是基本執行單位，而是 Thread 的容器
  • Process 之間一般來說要能溝通，要通過如 TCP/IP 端口、或者 socket 實現交互
  • 多進程（multi-processing）在作業系統中，經常使用多個 CPU 來在同一時間上同時並行多個 Process

Program V.S Process

  • Program 是存在硬碟中的靜態 code，可以長時間的保存在系統中

  • Process 是 Program 運行的實例，存在着生命週期， Process 會隨着程序的終止而銷毀

Thread - 常見翻譯 : 執行緒、線程

Thread 是 CPU 進行運算調度的最小單位，也是 Process 內部的最小執行單位，可與其他 Thread 共享一些資源，也有自己的執行狀態如 Stack、程式計數器（Program Counter, PC）等等。

  • Operating System Principles
    • 一個 Process 的 Global Variable 可以讓它的所有 Thread 共享，而每個 Thread 自己也有自己的專屬 Variable => 恐龍本第四章
    • 多個 Thread 要存取同一個 Global Variable，為了確保在存取共享資源時，能夠按照預期順序執行以維持資料一致性與安全性，故考慮加「鎖」 => 恐龍本第六章
    • 死結(Deadlock) => 恐龍本第七章

  • Process 底下的 Thread 可通過 Heap 這個 Process 中的一個屬性，來共享資源如記憶體、變數等

  • Thread 會將變數保存在 Stack 中，而 Stack 內的變數只有它「自己這個 Thread 」可以使用，並不能給其它 Thread

  • 當一個 Thread 有 memory leak 的情況產生時，它可能會耗盡其它 Thread 的資源，進而導致整個 Process 停滯

  • 多執行緒（multi-threading）是在一個 Process 中有多個 Thread，能夠以 Concurrency 的方式運作

  • Multi-Thread 若其之間互搶資源，則可能產生 Deadlock

Process V.S Thread

  • Process 是 Thread 的容器， Process 中至少有一個 Thread ; 一個 Thread 只能屬於一個 Process

  • 同一個 Process 內的 Thread 之間可以直接交流；但兩個 Process 想通訊，還需要須通過其他中間代理來實現

  • Process 有獨立的地址空間，Thread 沒有單獨的地址空間

場景

電腦操作系統的各種基本功能的運行，是由多個「系統進程」來達成的，再來由 user 自己啓動的如 Word 文書應用程式，這又開啓一個「用戶進程」。再進一步的 Word 應用程式是可以同時進行「打字」，這需要一個 Thread 來接受鍵盤的按下事件 ; 接下來還需要一個 Thread 來幫把文檔在畫面顯示出來; 還有 「拼寫檢查」、「寫入硬碟儲存」等等工作… 以上這些運作就是由「多執行緒(Multithreading)」和「多進程(Multiprocessing)」來達成的。

參考資料