掃盲課。對 Linux 系統下，程序和執行緒的基本概念和對比進行闡述。
一、程序
程序是處於執行期的程式及相關資源的總稱。作業系統為程序提供兩種虛擬機器制：虛擬處理器 & 虛擬記憶體，目的是讓程序有一種假象：“獨享處理器和整個記憶體空間”。
關於程序描述符 struct task_struct 放在後續內容中解釋。
（一）程序狀態機
這裡我們介紹兩個版本的“程序狀態機”。
（1）從邏輯上程序可分為五種狀態：建立、執行、就緒、阻塞、結束。
（2）也可根據 task_struct 的五個標誌位進行分類：
task_running：圖中的“就緒佇列”和“執行佇列”。task_interruptible：阻塞掛起，收到某些訊號後反應。task_uninterruptible：忽略訊號，fork（clone呼叫）會用到。__task_traced：被其他程序跟蹤除錯，比如 ptrace。__task_stopped：停止。不僅是退出，除錯期間也會進入該狀態。
（二）常見的程序
（1）孤兒程序
- 子程序退出時發現父程序已經退出了，會導致子程序的資源無法正確釋放而洩露。
- 避免孤兒程序：在程序結束時會尋找新的父程序或託管給0號程序，即 init 程序。
（2）殭屍程序
- 子程序在執行結束退出時，核心會釋放所有的資源；但是仍然會保留其程序描述符中的相關資訊，直到父程序透過 wait 或 waitpid 來獲取這些資訊時才釋放。如果不釋放這些資訊就會變成“殭屍程序”。
- 注意：子程序銷燬時會臨時進入“僵死狀態”，而不是“殭屍程序”，注意區分。
- 避免殭屍程序：子程序在退出時向父程序傳送訊號，讓父程序呼叫wait函式釋放。
（3）守護程序
- 執行在後臺、獨立於執行終端、屬於1號程序管理。用於週期性的執行某種任務或等待處理某些發生的事件（比如 ssh 伺服器、ftp 伺服器等）。
- 建立守護程序：fork呼叫後父程序退出，使子程序變成孤兒程序，歸1號程序管理。
二、執行緒
執行緒是程序中的一條執行流。Linux沒有實現專門的執行緒，Windows下專門實現了“輕量級程序”。
同一個程序內多個執行緒之間可以共享：程式碼段、資料段、堆區（開啟的檔案）等資源，但每個執行緒各自都有一套獨立的PID、棧（指標）、PC計數器、程式執行所需的暫存器，從而確保執行緒的控制流是相對獨立的。
主要是私有棧：用於儲存函式呼叫、區域性變數以及其他臨時資料，不能讓其他執行緒訪問。
主執行緒的私有棧是佔用程序虛擬記憶體空間的棧記憶體；其他執行緒的私有棧則是共享記憶體對映區的記憶體。
（一）程序崩潰
C/C++程序中的一個執行緒崩潰時，有可能會導致其所屬程序的所有執行緒崩潰。
- 理論上每個執行緒都是獨立執行的，執行緒的崩潰通常只會影響到它本身，所以不會導致整個程序崩潰。
- 執行緒之間共享地址空間和資料資源，導致這些共享資源處於不一致的狀態，該不確定性會讓OS直接結束當前程序。
因為各個執行緒的地址空間是共享的，所以某個執行緒對地址的非法訪問就會導致記憶體的不確定性，進而可能會影響到其他執行緒。既然這種操作是危險的，OS會認為這很可能導致一系列嚴重的後果，於是乾脆讓整個程序崩潰。
有一些特殊情況下，執行緒的崩潰可能會影響整個程序。
- 主執行緒的崩潰：主執行緒通常負責啟動和管理其他執行緒，所以它的崩潰會導致程序終止，進而導致子執行緒終止。
- 關鍵資源的破壞：關鍵資源（如共享記憶體區域或檔案控制代碼）受損或無法使用，其他執行緒可能會受到影響而導致程序的異常終止。
- 無法處理的異常：行為引發無法恢復的異常，例如訪問非法記憶體地址或遇到不可處理的硬體錯誤。
結束程序的方式：使用 kill 系統呼叫向程序傳送訊號。也支援自定義訊號處理回撥函式 sigHandler，在結束前“垂死掙扎”一番。
可以透過
kill -l檢視所有訊號。比如常見的kill -9 pid_num就是一種訊號，-9代表SIGKILL訊號，該訊號會忽略任何訊號處理函式，會馬上幹掉該程序。
Java 不會崩潰：JVM 有自定義的訊號處理函式，會執行資源清理後再 exit 退出。
舉例：StackOverflow 報錯，如果發生無限遞迴會導致棧幀（預設為 8M 大小）被佔滿。
當發生崩潰後，JVM 自定義的訊號處理函式會攔截 SIGSEGV 訊號、恢復程序的執行、丟擲 StackoverflowError 和 NPE 兩個錯誤供我們捕獲。
（二）分類：使用者執行緒 & 核心執行緒
執行緒控制塊TCB(Thread Control Block)
（1）使用者執行緒（邏輯執行緒）
- 在使用者態下透過“執行緒管理庫”建立、管理、執行，不受核心空間的排程。Linux下的執行緒管理庫 pthread 用法之後的文章會具體分析。
- 不能參與 CPU 的搶佔，只能共享程序的時間片，實現“執行緒的並行”。
- 作業系統只能看到程序的PCB，看不到執行緒的TCB。因此作業系統不直接參與使用者執行緒的執行緒管理和排程，一切由使用者級執行緒庫函式管理，包括執行緒的建立、終止、同步和排程等。
優點：（1）透過 TCB 可以在不支援執行緒技術的OS中使用執行緒；（2）切換時無需核心態和使用者態的切換，所以切換速度很快；
缺點：同一程序中只能同時有一個執行緒在執行，所以（1）不能充分利用多核CPU；（2）如果一個執行緒發起系統呼叫而阻塞，會導致整個程序中所有執行緒的阻塞。
（2）核心執行緒（物理執行緒）
- 又稱為“守護程序”。執行在“核心態”，只能由核心進行管理排程，也是核心最小的排程單位。
- 參與 CPU 的搶佔，可以實現真正的多核併發。由於它的資料結構和堆疊很小，所以它的建立、排程的開銷比程序小的多。
一個核心執行緒阻塞不影響同一程序下的其他執行緒，可以在多核處理器中執行。
舉例：中斷的下半部分為“軟中斷”，便是透過核心執行緒的方式進行實現的。
（3）對比
- 核心支援：使用者執行緒可在一個不支援執行緒的OS中實現；核心執行緒則需要得到OS核心的支援。因此上一條、兩者建立聯絡的前提是OS必須支援核心執行緒。
- CPU分配：核心只為使用者執行緒所在的程序分配一個處理器，使用者執行緒透過時間片排程的方式競爭該處理器；核心執行緒則可以在多個處理器上並行。
- 排程：只有核心執行緒才是CPU排程的單位，使用者執行緒則透過所在的程序去排程。
根據上述原因，使用者執行緒必須要對映到核心執行緒上，才能讓核心看到 & 排程使用者執行緒執行，從而讓使用者態的多執行緒實現併發執行。
建立對映的方式有：一對一模型、混合執行緒模型（多對一、多對多）。也要考慮到OS對執行緒數量的限制、選擇合適的模型。
建立和管理大量的核心執行緒需要消耗系統資源，包括記憶體和排程開銷；並且執行緒之間的切換也需要時間和開銷，頻繁的上下文切換會導致開銷增加。
（三）多執行緒/執行緒池的簡單入門
根據CPU核數不同，多執行緒實際上分為“並行”和“併發”兩種。我們最感興趣的其實是“執行緒池”(Thread Pool)技術。它專門用於管理和複用多個執行緒，能極大減小執行緒的建立和銷燬的開銷。適用於需要處理大量短時間任務的場景，並能根據系統的承受能力調整可執行執行緒的數量。
一個簡單的執行緒池由三部分組成：
- 執行緒池管理器（Thread Pool Manager）：負責執行緒池的建立、銷燬和管理；並維護著執行緒佇列和任務佇列，並負責分配任務給空閒執行緒執行。
- 執行緒池（Thread Pool）：由一組執行緒組成，當執行緒池中的執行緒處於可用狀態時，便可以執行提交給執行緒池的任務。
- 任務佇列（Task Queue）：用於儲存待執行的任務，當執行緒池中的執行緒空閒時，會從任務佇列中獲取任務進行執行。
執行緒池的工作步驟有以下幾步：
- 初始化執行緒池，建立一定數量的執行緒並將其置於可用狀態（阻塞狀態）。
- 當有任務提交給執行緒池時，執行緒池從任務佇列中獲取任務。
- 執行緒池分配空閒執行緒來執行任務。
- 執行完任務後，執行緒繼續保持可用狀態，返回到執行緒池中，等待下一個任務。
- 如果任務佇列為空且沒有待處理的任務，空閒執行緒等待新任務的到來。
三、程序和執行緒的區別
- “程序”是資源分配的最小單位，“執行緒”是程式執行（CPU 排程）的最小單位。
- 地址空間是否獨立。每一個程序都有它自己的獨立地址空間，一般不會發生讀寫同一塊記憶體（共享記憶體除外）；執行緒共享所在程序的地址空間，對於臨界區資料需要進行同步或互斥處理。
- 上下文切換的開銷不同。（1）程序的上下文切換開銷比較大：需要切換像虛擬記憶體等頁表，對 Cache 快取機制影響較大；（2）同一個程序的執行緒切換很快：只需要切換像“暫存器”和“棧”等私有資料即可；但如果是不同程序的執行緒進行切換，那麼和程序切換一樣
上下文切換會導致 CPU Cache 快取全部作廢，虛擬記憶體的切換會導致 Page Cache（TLB）全部失效，導致在一定時間範圍內、記憶體訪問的低效。
- 建立方式不同。兩者都執行 fork 系統呼叫（底層為 clone 系統呼叫），執行緒會傳入代表共享資源的引數標誌，建立速度更快（不涉及像記憶體、檔案等資源管理資訊）；此外程序還有 COW 策略，以及建立子程序後執行 exec() 優先執行子程序。
- 通訊方式。程序之間通訊記為 IPC（比如共享記憶體）；執行緒因為共享記憶體和檔案資源，不需要經過核心，所以資料交換效率很高。