介紹

計算機架構相關名詞

• 中央處理器 (CPU)
  • Central Processing Unit
  • Processors (處理器)
  • Sockets (實體插槽)
  • Cores (實體核心)
  • Logical processors (邏輯核心)
• 超執行緒(HT)
  • Hyper-Threading Technology (HTT)
  • Intel 專利的 SMT 技術
    • SMT = Simultaneous MultiThreading
  • Scalar processor vs. Superscalar processor

作業系統相關

• 電腦程式 (Program)

  • 包含一系列指令 (a sequence of instructions) 用來讓電腦運作的檔案

• 執行 (Execution)

  • 將電腦程式中的所有指令載入到記憶體 (RAM) 並建立處理程序的流程

• 處理程序 (Process)

  • 電腦程式的實體 (instance of a computer program) (一台電腦可以同時執行多個相同的電腦程式)
  • 作業系統可能會使用一個到多個執行緒來執行電腦程式中的指令 (instructions)

• 執行緒 (Thread)

  • 由作業系統透過排程器(Scheduler)分配執行在電腦程式中一系列指令的最小單位
  • 區分 Kernel threads 與 User threads 兩種，負責不同類型的執行任務

• 排程器 (Scheduling)

  • 排程器是作業系統的一個重要元件，用來安排「資源」來執行「工作」
  • 資源包含處理器 (Processor)、核心(Core)、網路、... 等等。
  • 工作包含執行緒(Thread)、處理程序(Process)、傳輸網路封包 (Traffic flow)、... 等等。

• 先佔式任務處理 (Preemption)

  • 這是一種多工(Multi-Tasking)的實現方式。多工是指電腦同時執行多個程式的能力！
  • 先佔式任務處理會中斷正在執行中的執行緒，並會在未來的一段時間後繼續執行

• 內容切換 (Context Switching)

  • 由於先佔式任務處理會中斷正在執行中的執行緒，在執行緒之間反覆切換的過程叫做內容切換
  • Windows / macOS / Linux / AIX / BSD / Solaris 皆採用先佔式多工 (Preemptive Multitasking)，一個執行緒執行程式時間用完了，系統就會進行 Context Switch，把 CPU 分配給下一個執行緒，沒有一個程式能獨佔 CPU 時間！

• 多工處理 (Multi-Tasking)

  • 多工是指電腦同時執行多個程式的能力
  • 多工的一般方法是執行第一個程式的一段代碼，儲存工作環境；再執行第二個程式的一段代碼，儲存環境；……恢復第一個程式的工作環境，執行第一個程式的下一段代碼……現代的多工，每個程式的時間分配相對平均。

• 多執行緒 (Multithreading)

  • 多執行緒是一種利用單一核心來提供多工處理的能力，用來提供同時執行多條執行緒的工作方式，而這種能力通常都是由作業系統內建提供的。
  • 在多執行緒的應用程式中，執行緒會共用一個或多個核心，而共用的資源包含運算單元、CPU 快取或 TLB (translation lookaside buffer) 等資源。
  • 新一代的 CPU 基本上都有提供硬體多執行緒的支援，能夠在同一時間執行多於一個執行緒，進而提升整體處理效能

Program vs. Process vs. ThreadScheduling, Preemption, Context Switching

https://en.wikipedia.org/wiki/Thread_(computing)

相關名詞

• 同步 (Synchronous)

  • 在計算機的世界裡，沒有什麼程式是真的「同步」的。
  • 同步通常是指在一個系統中所發生的事件之間進行協調 (coordination of events)，讓時間上出現 一致性與統一化的現象，讓整件事看起來像是依序執行的結果。

• 非同步 (Asynchronous)

  • 非同步意味著在一個系統中所發生的事件 (occurrence of events) 都可以獨立執行，並且提供一些方法來處理這些事件。
  • 這些發生的事件不會封鎖(Block)主程式的執行緒，因此可以多個工作進行平行處理

• 同步化 (Synchronization)

  • 當多執行緒需要同時存取共用資源時，所需進行的管控機制，確保程式執行時可以得到預期結果
  • 跨執行緒的同步化： lock, SpinLock, Mutex, ReaderWriterLockSlim, Barrier, CountdownEvent, ...
  • 跨處理程序同步化：Mutex, Semaphore (Windows), EventWaitHandle (Windows)
  • 相關文章：Overview of synchronization primitives

• 執行緒安全 (Thread-safety)

  • 在多執行緒環境下執行程式，用以確保執行可以得到預期執行結果！
  • 實現執行緒安全的必要條件就是必須能夠提供同步化機制！

• 同步內容 (SynchronizationContext)

  • 允許執行緒透過將工作單元(Work of Unit)進行封裝(Marshal)之後，傳遞給其他執行緒

• 競爭狀態 (Race Condition)

  • 競爭情形是一種錯誤，這種錯誤是指根據兩個或多個執行緒之中，哪一個先到達程式碼的特定區塊而決定程式的結果。
  • 執行程式多次會產生不同的結果，並且無法預測任何指定的執行結果。

• 關鍵區段 (Critical Section)

  • 是一段程式碼不允許多執行緒同時執行
  • 為了避免資源競爭的情況發生 (Race Condition)

• 死結 (Deadlock)

  • 當兩個以上的執行緒，雙方都在等待對方停止執行，以取得系統資源，但是沒有一方會先結束。
    

.NET程式啟動流程

• .NET 處理程序(Process)啟動後，僅會有一個前景執行緒！
  • 每個執行程序都可以產生出許多前景執行緒或背景執行緒
• 前景執行緒 (Foreground Thread)
  • 所有前景執行緒必須全部結束執行，否則處理程序無法結束執行
  • 無論是否還有背景執行緒在執行，沒有前景執行緒在跑，該處理程序就一定會結束
  • new Thread() 預設就是前景執行緒
• 背景執行緒 (Background Thread)
  • new Task() 預設就是背景執行緒
  • 從執行緒集區(Thread Pool)取得的執行緒，一定是背景執行緒
  • Task.Run 從執行緒集區取得一個執行緒，因此是背景執行緒
• 主執行緒(main Thread)
  • 程序啟動時的第一個執行緒

參考資料

C# 開發實戰：非同步程式開發技巧

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https://moushih.com/2022ithome18/