在學習並行程式設計之前，我們需要先了解 Program 、 Process 、 Thread 的定義，這邊筆者舉一個簡單的例子:
當我們開啟 APP 時，APP 會被載入到 Memory 中，而執行中的 APP 在一般情況下僅有一個執行緒 (Thread)。
在上面的例子中，尚未執行的 APP 就是 Program，執行中的 APP 則是 Process。
Program 在 Operating System 這門學科中並沒有太多的介紹，讀者可以把 Program 當成是可執行檔 (*.out, *.elf, *.exe...) 即可。
考慮上圖，Process 在執行時，狀態會不斷的改變，Process 的狀態共有：
以 32 位元的電腦為例，每個暫存器有 32 個位元可以利用，這也代表它做多可以定址 4GB 的記憶體位置。
下圖反映了當作業系統運行時，RAM 是如何被分配的:
Stack
存放函數的參數、區域變數等。
Heap
記憶體擴充區，程式設計者可以運用 Heap 的空間讓程式在記憶體使用上有更多的彈性。以 C 語言為例，使用 malloc 時，便會從 Heap 分配出一段空間:
#include <stdlib.h>
// ...
int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
Data
Text
Text segment 存放最重要的東西: 可執行的機器碼 (也就是編譯組語後的結果，內容是一堆 0 和 1 )。
為了方便追蹤每個 Process，作業系統會分配給每個 Process 一個獨立的 ID (又稱 Process ID)。此外 Process 也會有一個紀錄 Parent PID 的 PPID。
#include <unistd.h>
pid_t get_pid(void);
pid_t get_ppid(void);
Parent process 會建立 Children processes，而 Children processes 又可以建立自己的 Children processes 形成樹狀結構:
再以 POSIX Thread 為例，可以用 pthread_self() 查詢 PID :
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
void* thread_func(void *arg)
{
printf("thread id=%lu\n", pthread_self());
return arg;
}
int main(void)
{
pid_t pid;
pthread_t tid;
pid = getpid();
printf("process id=%d\n", pid);
pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
pthread_join(tid,NULL);
return 0;
}
補充 1 :
你可能會問get_pid()與pthread_self()都會返回 PID 阿，那差別在哪?
答: POSIX Thread 是 User-level 的 Thread 而 get_pid() 可以查詢 Kernel-level 的 Process ID。
補充 2 :pthread_self()的定義也可以在 Linux Programmer's Manual 中查到:
不只如此， Processes 還包含:
Running State
前面已經提到:
File Descriptors
該 Process 使用到的 File。
注意!這裡的 File 是指檔案，而非文件。
在 UNIX 的設計中，所有東西都是檔案!
Arguments - 一個存放參數的文字列表，不同的程式語言都有不同的參數代入方法，以 C 語言為例:
#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
printf("We have %d arguments:\n", argc);
for (int i = 0; i < argc; ++i) {
printf("[%d] %s\n", i, argv[i]);
}
return 0;
}
將上面的程式編譯過後並執行:
gcc source.c
./a.out 1 2 3
可以得到:
We have 4 arguments:
[0] ./a.out
[1] 1
[2] 2
[3] 3
Environment List
紀錄環境變數，如下圖:
Thread 是可被作業系統排程的最小單位，它被包含在 Process 中，一個 Process 可以擁有多個 Thread。
像是前面提到的 POSIX Thread 便可以讓我們撰寫具有多個執行緒的程式。
Thread 包含了以下內容:
而在同一個 Process 中的 Thread 共享以下資源:
圖片取自該連結。
常見的 User-level thread 有這些實作方法:
常見的 Kernel-level thread:
而兩者有以下差異:
舉一個例子，假設有兩個 Process 存在，前者有 3 條 Thread，後者有 2 條 Thread。
如果作業系統採取均勻分配處理器資源的話，在不同的 Case 下會形成巨大的效能差異:
無論是建立成本或是 Context switch 的成本，Thread 都比 Process 有更顯著的效能。
不過也因為在同個 Process 底下的 Thread 享有 Code section 以及 Data，若設計不良可能會造成 Race condition 以及 Critical section 的原因。對於這個部分，會在之後的議題做更詳細的介紹。
設計優良的多執行緒程式的確能榨出更多的處理器資源，但多執行緒程式在設計上需要特別小心，錯誤的設計可能會導致整個 Process 被 Block。此外，建立執行緒以及內文交換都是需要成本的，如果程式的功能非常單一、簡單，將其改寫成多執行緒程式有時候反而會造成性能下降!
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