前言
上一篇文章中我們瞭解了程式的執行方式，包括早期單核處理器上的順序執行以及引入多工概念實現的偽並行。我們還探討了程式的狀態模型。程式可以處於就緒、執行、阻塞和結束等不同的狀態。
在本篇文章中，我將探討研究程式的狀態模型、控制結構和切換機制。希望透過這篇文章的分享，能夠幫助更多的人理解和掌握程式管理的知識，為他們在計算機領域的學習和工作提供幫助。
程式的控制結構
也可以說是資料結構，畢竟作業系統也是一個程式，只要是應用程式就必然符合一條定律：程式=演算法+資料結構，程式作為一種抽象概念，可將其視為一個容器，該容器聚集了相關資源，包括地址空間，執行緒，開啟的檔案，保護許可等。因此對於單個程式，可以基於一種資料結構來表示它，這種資料結構稱之為程式控制塊(PCB)，這人家的專有名詞；
每個程式都有一個唯一的PCB作為其標識，當程式被銷燬時，PCB也會隨之消失。如下：
PCB之間透過連結串列連線，形成各種佇列，如就緒佇列和阻塞佇列。比如：
- 就緒佇列：把所有就緒狀態的PCB鏈在一起；
- 阻塞佇列：把所有因等待某事件而處於等待狀態的程式鏈在一起
另外，在單核CPU系統中，只有一個執行指標，因為在某個時刻，只能執行一個程式。
程式的切換
程式的切換是為了保證每個程式都能獲得公平的CPU時間片來執行自己的程式，這也叫做上下文切換，上下文切換涉及以下內容：
- 儲存程式的相關資訊，如計數器、暫存器等，以便在切換回來時能正常載入。
- 更新程式的狀態，如從執行態切換到就緒態等。
- 將當前程式放入就緒佇列或阻塞佇列中。
- 根據排程演算法從就緒佇列中選擇一個程式載入並執行。
- 更新記憶體管理的資料結構(建立虛擬記憶體與實體記憶體的關係)。
- 新程式將自己的堆疊資訊載入到CPU的計數器和暫存器中，佔用時間片。
發生程式上下文切換有哪些場景？
時間片用完，強制進行上下文切換。
記憶體不足，將無用的程式交換出去掛起，待資源充足後再切換回來。
程式呼叫sleep函式進入睡眠狀態，讓出CPU，需要重新進行系統排程（對於執行緒也適用）。
有更高優先順序的程式需要執行，當前程式需要讓出CPU，確保高優先順序程式能使用時間片。
發生硬體中斷時，CPU立即處理相關中斷服務程式，如鍵盤輸入。即使是單核CPU，也能良好處理中斷程式和程式之間的時間片佔用。不必擔心持續敲擊鍵盤會導致系統崩潰，尤其現在大多數是多核處理器。
執行緒
在早期的作業系統中，以程式作為獨立執行的基本單位，直到後來電腦科學家們提出了更小的能獨立執行的基本單位，即執行緒。
程是程式中的一條執行流程，多個執行緒可以共享程式碼段、資料段、開啟的檔案等資源，但每個執行緒都有一套獨立的暫存器和棧，確保執行緒的控制流是相對獨立的。可以將執行緒視為CPU排程的基本單位。可以想象一個我們的Java多執行緒，程式碼公用、全域性變數公用等，但是程式會控制好執行緒自己的獨立棧資訊等；
執行緒的上下文切換
執行緒與程式最大的區別在於：執行緒是排程的基本單位，而程式則是資源擁有的基本單位。
執行緒的上下文切換是指在切換執行緒時，需要儲存和恢復執行緒的執行上下文。與程式相比，執行緒上下文切換的代價要小得多。
如果一個程式只有主執行緒，那麼執行緒的切換流程與程式切換相同。
如果是程式內的某個執行緒進行切換，代價會更小。只需要儲存執行緒的相關暫存器和計數器等資訊，因為其他資源和虛擬記憶體是程式內共享的，無需切換。因此，執行緒的上下文切換開銷較程式小很多。
總結
程式和執行緒是作業系統中的兩個重要概念。程式是程式的一次執行過程，擁有自己的地址空間和資源，是資源分配的基本單位。程式之間透過上下文切換來共享CPU，保證公平分配。程式切換涉及到儲存和載入程式的相關資訊、狀態變更、佇列操作、排程演算法等。
執行緒是程式中的獨立執行流程，可以共享程式的資源，但有獨立的暫存器和棧。執行緒的上下文切換相比程式較小，只需要儲存執行緒的相關暫存器和計數器等資訊。