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DAY 11
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看Roadmap學backend overview系列 第 11

行程(Process)、執行緒(thread)傻傻分不清楚(中)-執行緒管理

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前言

今天會討論執行緒Thread,是一個我覺得很容易跟行程Process混淆的概念,為了學習跟整理這個概念,我們可以踩在前人的肩膀上前進XD

透過一張別人整理出來的Process、Thread比較圖,我們來問問一些「為什麼?」。
而透過回答經過整理的問題,可以看到兩者的差別及是什麼造成這些差別。

而最後我相信通過探究這些差異的過程,不只可以幫助理解Thread,也同時可以回頭幫助了解Process~

執行緒Thread

Item Process Thread
定義 在執行中的程式 行程的一部分
輕量 不輕量 輕量
終止時間 較長 較短
建立時間 較長 較短
溝通 行程間的溝通較費力且相對Thread來說更久 溝通容易且相對較短
上下文交換 較長 較短
資源 (CPU時間) 消耗較多資源 較少
記憶體 幾乎隔離 有共享的記憶體位置
資料共用 不共用資料 共享資料
from Process vs Thread – Difference Between Them

為什麼說Thread是Prcoess的一部分?

我們可以用三種角度來看這個定義,看能不能釐清他們!

角度1: 工廠藍圖想像

我們先用比較淺顯的想像開頭:

想像我們按照「藍圖」建立「工廠」,「工廠」裡面會聘請「工人」來完成工作。

上面提到的藍圖、工廠、工人分別就是Program、Process、Thread。
所以實際上完成工作的是作為工人的Thread。

但這邊我在看的時候產生一個困惑,我們在操作系統簡介不是曾說:

Process會根據CPU scheduling機制搶占CPU資源

這樣到底是Process還是Thread完成工作呢?

其實這句話依舊是正確的,只是說的還不夠多,要了解這點,我們需要先知到Thread到底是什麼又存在哪裡。

透過一張圖的幫忙會更容易理解了。

角度2: 單執行緒行程 vs 多執行緒行程

from 程序、行程(process)

這是一張單執行緒Process與多執行緒Process的比較圖。
我們回到表格中的定義:

執行緒是行程的一部分

這樣是不是就很明顯地看到這個定義了呢?
執行緒確實是行程的一部分,於是昨天提到的行程結構,其實就是一個單執行緒行程。

確切來說,執行緒的結構包含獨立的: stack、register、counter
並且與其他Thread共用code, date(共用變數區), files。

正因為每個Thread有自己的Register、Counter、Stack,所以他們可以自己決定執行哪段程式,也就是說:

每段執行緒可以執行各自片段的程式碼以完成Process需要完成的工作

角度3: 概念總結

最後來整理一下,並帶到最後一個對Thread及Process之間差異的描述:

Process是OS分配資源之對象單位,而Thread才是OS分配CPU時間之對象單位
-- 作業系統筆記(二):利用處理程序、執行緒來多工處理

為什麼Thread相對輕量?建立及終止時間相對短?資源消耗較少?

Prcoess建立流程包括:

  1. 向系統註冊,讓系統紀錄執行清單,並標上PID。
  2. 分配適當的資源,包含CPU使用權及獨立的資料儲存空間。

這個過程會申請空白PCB並初始化資料並填入PCB。

而因為Thread共用了大部分Prcoess的狀態(這邊幫助你回憶一下,Thread是Process的一部分XD),所以可以減少建立及管理的開銷。
另外一部分牽涉到Context Switch的成本,因為行程在進行Context Switch時,需要保存整個Process的狀態資訊,包括Counter、CPU registers、PCB,在處理這個過程花費的CPU相對Thread較多,因為Thread僅需要保存他自己的CPU register而已。

用工廠的說法來描述這些成本的差異好了。
建一個工廠需要選地址、找監督特別記錄所有工廠的資料、建立所有流程;而多請一個員工,因為原本的工廠裡面的流程都還在,所以大部分要做的事情都可以被省略。

為什麼Thread溝通容易?為什麼Thread可以共享資料?又為什麼Process不行?

一個相同行程裡面多個Thread在被建立時,都可以共用同一個Process裡面的區塊的資料,這個區塊就是Heap,可以把這個區塊理解成像是全域變數的存在。

而不同Prcoess在被建立時,他們彼此之間就會被分配不同的記憶體位置,因為沒有共用記憶體,所以Process之間如果需要溝通就要靠其他方法,一般統稱這些方法為Inter-process communication(IPC),而這個過程相對不易,但也確保了行程內的資料不易被汙染。

盡可能保持Process之間的獨立性是有它的意義的,就好像我們現在可以毫無猶豫的ctrl + alt + delete直接強制關閉行程卻不用擔心造成其他行程的影響,因為他們之間互不依賴。

小結

透過了解Thread,我們進一步釐清了Thread這個概念被建立想要去處理的問題是快速的多工,並提高了資源(CPU、Memory...)的使用率。
於是接下來會進到下集,我們要談的Concurrency,可以說Thread幾乎是為此而生XD至於為什麼這麼說,下一篇也會試圖解釋這件事情!
那就明天見囉~

後話

其實原本是要將內容分成上下兩個部分,但Process、Thread、Concurrency這三個主題實在太息息相關,可以講的東西又太多了。
不知不覺,篇幅就大到一天要讀完太過難受,為了閱讀體驗以及我的鐵人賽挑戰,所以最終才分成三篇。
另外,若有人看不懂本篇的內容的話,可以回頭從OS overview開始看起喔。

參考資料

行程及執行緒
Why Thread Considered Cheap
What is the difference between concurrent programming and parallel programming?
程序(進程)、執行緒(線程)、協程,傻傻分得清楚!
作業系統筆記(二):利用處理程序、執行緒來多工處理
Linux 核心設計: 不僅是個執行單元的 Process
PPT in Operating system
Threads and its types in Operating System
OS Process & Thread (user/kernel) 筆記


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1 則留言

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Dylan
iT邦新手 1 級 ‧ 2022-10-16 11:27:39

似乎是錯字:

所以實際上完成作的是作為工人的Thread。

tim80411 iT邦新手 5 級 ‧ 2022-10-16 21:08:17 檢舉

thx~~

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