上下文切換(Context Switch)

電腦裡的 CPU 數量是有限的，但同時想被執行的process 卻有很多。當OS想要從一個process切換到另一個process時，就會發生一件非常重要的事：保存與恢復行程的狀態。而這樣的一個切換過程，我們就稱呼他為上下文切換（Context Switch）。

具體而言，當CPU要從processA切到processB時：

1. 會先保存processA的狀態到PCB（包含state、registers、memory info）。
2. CPU再從PCB載入processB的狀態，恢復執行。

Context Switch這個動作是必須，也是有代價的。因為他本身不做任何實際運算工作，就是只做「搬資料、切換角色」，所以他其實是一種系統開銷（overhead）。切換越頻繁，真正執行程式的效率反而下降。哪些因素會影響 Context Switch 的速度呢？

• 暫存器數量：要保存/還原的資料越多，切換越慢
• 記憶體存取速度：讀寫 PCB 的速度會影響整體切換時間
• 是否有硬體支援：有些 CPU 提供快速切換指令，能加速上下文保存與恢復
• 作業系統實作方式：有些 OS 設計更精簡，能減少不必要的切換開銷

行程操作(Operations on Processes)

Program本身會產生process，而process之間也會彼此互動、產生關係。接下來，我們就要來談Process之間是如何管理、建立與終止這些Process。

Process之間的建立

在OS中，Process是可以產生其他Process的。為了方便區分，我們會把原先的Process稱為父行程（Parent Process），建立出來的稱為子行程（Child Process）。無論是父行程還是子行程，每個Process都會分配到一個獨立的 PID（Process ID），而這些父子行程之間的關係會形成一顆 行程樹（Process Tree）。

這邊以UNIX系統來說，便會有兩種指令常常被提到：
第一，fork()：Process用來複製自己。
當一個Process呼叫fork()，它會產生一個幾乎一模一樣的子Process。這個子Process會有自己的 PID，但內容（程式碼、記憶體）會與父Process相同。而產生的子Process就會從fork() 後面那一行繼續各自執行。

第二，exec()：切換程式內容
呼叫 exec() 的Process，會把自身的程式碼內容替換掉但 PID 不會變。

下圖表示了fork() , exec() 結合使用的範例：

行程終止：使用 exit()

人類上班最後一樣任務是打卡（然後繼續加班Ｘ），而當Process程完成任務後，要做的最後一件事就是呼叫 exit()。

exit()這個函數本身涵蓋一下的目的：

• 通知作業系統該行程已結束執行
• 釋放該行程所使用的資源
• 傳回結束狀態(exit status)給其父行程(parent process)

父行程如何得知子行程已結束：wait()

這邊請留意，當子行程在執行完結束後，會呼叫exit()告知結束。但這並不等於父行程有收到通知歐。

就像是你喜歡對方，跟對方知道你喜歡是兩件事一樣。還等啥，先別看了，趕緊去告白一波吧！！！

因此，OS提供wait()系統呼叫，讓父行程可以等待子行程結束。直到：

1. 某個子行程終止
2. 系統把該子行程的 exit code 傳給父行程

這種設計可以讓父行程知道子行程是否順利完成工作，或是否出錯。

殭屍行程(Zombie Process)

在 UNIX / Linux 系統中，一個子行程執行完畢後，通常會呼叫 exit() 表示「任務完成」，並將控制權交還給作業系統。理論上來說，J個子行程就應該從OS中完全消失，但實際上並不會立刻清除。（沒錯，神奇吧

當子行程呼叫 exit() 結束時，OS會：

1. 先「暫時保留」該行程的資訊（如 PID、exit code）在 process table 中。
2. 等待父行程使用 wait() 系統呼叫來查詢與回收這些資訊。

對，所以Process還是會保留著。如果父行程有正常呼叫 wait()，那Ｊ個空殼（？就會被清除，這邊稱為「回收」子行程。但如果父行程從頭到尾都沒呼叫 wait()，那麼這個子行程就會「身體不見了，但在系統中還留有一點殘留資料」，變成所謂的 殭屍行程(Zombie Process)。

如何避免殭屍行程？

第一，在一個棒棒的父行程邏輯中，父行程需要在適當時機呼叫 wait() 或 waitpid()，以確保回收所有子行程。
第二，讓 init（或 systemd）接管孤兒行程：若父行程提早終止，子行程會被系統接管。這些「孤兒行程」由 init 接手後，會負責正確回收，避免留下殭屍。
第三，可以使用非同步處理機制：在某些情況下，可以使用 signal(SIGCHLD) 搭配處理函數，自動在子行程結束時執行回收動作。