詳解作業系統中程式與執行緒

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程式的定義：
程式是具有獨立功能的程式在某個資料集合上的一次執行活動，也是作業系統進行資源分配和保護的基本單位。
簡單的說，程式是一個程式的一次執行的過程。

程式的屬性：
1）動態性：程式具有生命週期，由建立而產生，由排程而執行，由事件而等待，由撤銷而消亡。
2）共享性：同一程式同時執行在不同的資料集合上構成不同程式，即多個不同的程式可執行相同的程式。
3）獨立性：程式有自己的虛擬空間、程式計數器和內部狀態。
4）制約性：程式因共享資源或協同工作產生相互制約關係，造成程式程式執行速度的不可預測性。
5）併發性：多程式的執行在時間上可重疊，在單處理器系統中可併發執行，在多處理器環境中可併發執行。

程式的目的：
1）刻畫程式的併發性
2）解決資源的共享性
可以說，程式是為了佔有系統資源和實現系統併發性引入的。

程式的狀態（Linux中）：
1）執行態（TASK_RUNNING）：程式當前正在執行，或者正在執行佇列中等待排程（排隊中）
2）等待態_可中斷（TASK_INTERRUPTIBLE）：程式處於阻塞（睡眠sleep，主動放棄CPU）狀態，正在等待某些事件發生或能夠佔用某些資源。處於這種狀態下的程式可以被訊號中斷。接收到訊號或被顯式地喚醒呼叫喚醒之後，程式將轉變為執行態，繼續排隊等待排程
3）等待態_不可中斷（TASK_UNINTERRUPTIBLE）：此程式狀態類似於可中斷的阻塞狀態，只是他不會處理訊號，把訊號傳遞到這種狀態下的程式不能改變它的狀態，即不可被訊號所中斷，不能被隨便排程
4）停止態（TASK_STOPPED），即暫停狀態，程式的執行被暫停，當程式受到SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN、SIGTTOU等訊號，就會進入暫停狀態，知道收到繼續執行訊號，轉變為執行態，繼續排隊等待排程
5）殭屍態（EXIT_ZOMBIE）：子程式執行結束，父程式尚未使用wait 函式族（如使用wait()函式）等系統呼叫來回收退出狀態
注：
殭屍狀態下的子程式已經放棄了幾乎所有的記憶體空間，沒有任何可執行程式碼，也不能被排程，僅僅在程式列表中（即task_struct）保留一個位置，記載該程式的退出資訊供其父程式收集。即程式結束後，記憶體地址空間被釋放、task_struct 成員被釋放，但task_struct 這個空殼還存在，它就是殭屍，這個殭屍我們用kill 是殺不掉的。所以，一般在子程式結束後，我們會對其進行回收。回收的方法有三種：
1）誰建立誰回收，即用父程式來回收；
2）父程式不回收，通知核心來回收；
3）由init 程式來回收，當父程式先死掉，子程式成為孤兒程式，由 init 程式來認養；
當這三種條件都不滿足時，比如父程式不去回收子程式，自己卻未死掉，殭屍便會出現，這是非常棘手的，可以通過殺死父程式來殺死殭屍（不推薦使用）；

程式映像：
1）程式控制塊：儲存程式的標誌資訊，現場資訊和控制資訊。建立是建立，撤銷時回收
2）程式程式塊：被程式執行的程式，程式一次執行所完成的功能
3）程式核心棧：存放中斷/異常現場，儲存函式呼叫的引數、區域性變數和返回地址
4）程式資料塊：程式的私有空間，存放各種私有資料，使用者棧也在此開闢
可見，每個程式由上述四個要素組成。

程式的優點：
1）順序程式的特點：具有封閉性和可再現性；
2）程式的併發執行和資源共享。多道程式設計出現後，實現了程式的併發執行和資源共享，提高了系統的效率和系統的資源利用率。
程式的缺點：
1）程式間記憶體無法共享（資源是私有的，如虛擬地址空間，檔案描述符和訊號處理等），通訊比較麻煩，導致多工之間的協作麻煩
2）任務切換，即程式間上下文切換，系統開銷比較大。（虛擬地址空間以及task_struct 都需要切換）
3）在建立或撤消程式時，系統都要為之分配和回收資源

所以，為了提高系統的效能，減少程式併發執行是所付出的時空開銷，使得併發顆粒度更細、併發性更好，引入執行緒的概念。

執行緒的概念：
把程式的“獨立分配資源”和“被排程分派執行”分離開來，前一項任務仍然由執行緒完成，作為系統資源分配和保護的獨立單位，無需頻繁的切換。後一項任務交給執行緒的實體完成，作為系統排程分派的基本單位，會被頻繁的排程切換。

執行緒的定義：
執行緒是程式能夠併發執行的實體，是程式的組成部分，也是多處理器排程和分派的基本單位。

執行緒的屬性：
有狀態及狀態轉換，所以需要提供一些狀態轉換操作
不執行時需要儲存上下文環境，所以需要程式計數器等暫存器
有自己的棧和棧指標
共享所在程式的地址空間和其它資源

可以認為，執行緒基本上不擁有系統資源,只擁有一點在執行中必不可少的資源(如程式計數器,一組暫存器和棧),它與同屬一個程式的其他的執行緒共享程式所擁有的全部資源，是CPU排程和分派的基本單位,它是比程式更小的能獨立執行的基本單位

執行緒的狀態（Linux中）：
執行態、就緒態、等待態、終止態
注：
執行緒不是自願擁有單位，掛起態對於執行緒來說是沒有意義的（程式掛起後被換出記憶體，執行緒因共享空間也必須對換出去，可見掛起操作所引起的狀態是對程式級狀態而不是執行緒級狀態）

執行緒的優點：
1）快速執行緒切換：多執行緒切換隻需改變堆疊和暫存器，地址空間不變
2）通訊易於實現：共享程式的記憶體和檔案，可自由訪問全域性變數而不必經過核心
3）減少管理開銷：建立和撤銷無需再分配儲存空間各種資源
4）併發程度提高：適宜並行工作，使得多核和多處理器系統效能發揮更好
執行緒的缺點：
1）因為共享地址空間，如果其中一個執行緒出現錯誤（比如段錯誤），整個執行緒組都會崩掉！
2）排程時, 要儲存執行緒狀態，頻繁排程, 需要佔用大量的機時

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程式與執行緒的區別：
程式和執行緒的主要差別在於它們是不同的作業系統資源管理方式。
程式有獨立的地址空間，一個程式崩潰後，在保護模式下不會對其它程式產生影響，而執行緒只是一個程式中的不同執行路徑。執行緒有自己的堆疊和區域性變數，但執行緒之間沒有單獨的地址空間，所以多程式的程式要比多執行緒的程式健壯，但在程式切換時，耗費資源較大，效率要差一些。
從邏輯角度來看，多執行緒的意義在於一個應用程式中，有多個執行部分可以同時執行。但作業系統並沒有將多個執行緒看做多個獨立的應用，來實現程式的排程和管理以及資源分配。這就是程式和執行緒的重要區別。

最後，作業系統的設計，可以歸結為三點：
1）以多程式形式，允許多個任務同時執行；
2）以多執行緒形式，允許單個任務分成不同的部分執行；
3）提供協調機制，一方面防止程式之間和執行緒之間產生衝突，另一方面允許程式之間和執行緒之間共享資源。