Program、Process、Thread 傻傻分不清楚？本文介紹作業系統 Process 的概念。

Program vs. Process vs. Thread

Program

靜態的指令集 (File)，例如：秘密小文件、週記、Hello World 程式等等。

Process

正在執行的指令集，有被載入主記憶體的 Program (Executable File)。

首先會先被傳入 Ready Queue（準備變成 Process 的動作），再來被載入主記憶體、載入 CPU 裡面正在執行。

簡而言之，就是正在執行的程式。

Thread

Process 的小分身，寄生在 Process 裡面，共用 Process 的記憶體，而且自己也擁有一個獨立的空間 (Stack) 可以做自己的事情。

例如：Word 拼音檢查的紅線。

如果拼音檢查也寫成 Process 的話，Word 的 Process 會先被關掉才能做拼音檢查。

小結

一定要有 Process 才會有 Thread；一個 Process 有好多個 Thread（看看我們常用的 Chrome 就知道）。

Process 組成架構

Text：一個 C 語言的程式

Data：全域變數

Heap：動態記憶體配置

Stack：放一些暫存的資料

I/O-bound process

平常的程式通常是 I/O 與 CPU 這兩個 bound process 結合起來的。

• I/O-bound process
  • 通常我們較多使用 I/O 的東西使用
  • 例如：Word processor
• CPU bound process
  • 需要 CPU 不斷運算的程式
  • 例如：算圓周率

Process 狀態及流程

New：新增一個 Process 出來

Ready：程式載入記憶體

Running：正在跑，Process 正在運算

Waiting：有中斷，進入等待

Terminated：此 Process 結束

Process Control Block, PCB

像是 ER 圖用資料庫存起來，或者像是排球紀錄表，而 OS 管理 Process 所使用的紀錄表，就叫做 PCB。

PCB 有以下幾個重要資訊：

• Process State：上面提到的那五個狀態，像是 new 與 ready
• Process Number：即 Process 的 ID
• Process Counter：記錄下一個 Process 的位址
• CPU Registers：紀錄一些中斷資訊

排程器

短程排程器 (Short-Term Scheduler)

不管哪個 OS 都一定有。

因為 CPU 暫存器大小有限，所以會挑選哪些 Process 最適合現在做、最有效率。

中程排程器 (Median-Term Scheduler)

類似資源短程排程。

在 Process 載入 CPU 之前，已經通過了長程、短程排程器的篩選，使 CPU 以最有效率的排程完成 Process 們。但是排程的 Process 愈多，Content Switch 轉換的次數就愈多，代表 Degree of Multi-programming 愈高，也就是 CPU 大部分的時間都在做 Content Switch。

因此，中程排程器就會在 Degree of Multi-programming 過高的時候，挑選幾個 Process 回到 Ready Queue。例如：Content Switch 轉換太頻繁時，100 個工作 1000 秒會完成，其中 CPU 花 500 秒在轉換工作，這對 CPU 來講很沒效率！

這時候就需要中程排程器，把幾個 Process 拉回 Ready Queue。以下三個例子都是發生中斷，而使得 Process 跳回 Ready Queue：

• 需要鍵盤或滑鼠，產生 I/O Request、中斷，先放在 I/O Queue 裡面再逐一使用
• 某一個 Process 使用時間到了，它會先跳回 Ready Queue，再重新分配
• OS 發現其他東西有中斷，做 Context Switch

長程排程器 (Long-Term Scheduler)

不一定每個 OS 都有。

看哪個 Process 適合現在載入主記憶體，將它放入 Ready Queue。

Context Switch

轉換 CPU 至另一個行程。先儲存舊行程的狀態，再載入新行程的狀態。例如：A 發生中斷，要把 A Process 的 PCB 表轉換成 B Process 的 PCB 表，才能繼續執行。

有點類似交接班表。

花的時間的多寡取決於硬體的快慢。

Process 的溝通方式

• 獨立的 Process (Independent Process)
  • 獨立不受其他 Process 影響
• 需要溝通的 Process (Cooperating Process)
  • 例如：「洗手」這個 Process 必須搭配「開水龍頭」這個 Process 才能達成洗手的動作
  • 用 Inter-process Communication (IPC) 溝通

Inter-process Communication (IPC)

• 共享記憶體 (Shared Memory)：Process 之間共用一個記憶空間，你的資料就是我的資料，我的資料就是你的資料。
• Message Passing (Block send/receive, rendezvous)
  • 兩個 Process 中間會多一個 Process Queue（類似郵箱的功能）暫存，需要的 Process 可以從這裡拿取資料
  • 隔開來多一個 Queue 去傳送
    • Blocking send：確保一定寄出
    • Blocking receive：確保一定收到
    • Rendezvous：兩者兼具，確保一定會寄出去，也確保一定會收到

Client-Server 之間 Process 的傳遞

Socket

IP 位址 (IP Address) + 服務口 (Port) = A Socket

• 3 種 Socket 方式：
  • Connection-Oriented (TCP)：確保兩邊都活著，規範嚴謹、動作多、檢查需要時間
  • Connectionless (UDP)：串流影音、通常需要大量傳遞的
  • Multicast Socket（類似廣播）：傳播出去讓很多主機連接
• 使用 Socket 是比較底層、有效率的，通常傳一些位元、字串等比較難懂的東西，會一個一個傳

Remote Procedure Call, RPC

運用在應用層（最上層）的服務。

把需要的東西（服務）包起來傳出去給其他主機，就像是一台主機本身有另一台主機的東西（服務），最常見的例子像是分散式網路服務、遠端管理、NFS 檔案分享等等。

RPC 傳遞中的一些小問題

XDR 轉換

• 不同主機，定義存取（儲存記憶體）的方式不同
• Big endian：數字最大的東西放在記憶體位置最大的地方
  • 例如：1 儲存在 A；5 儲存在 E
• Small endian：數字最小的東西放在記憶體位置最大的地方
  • 例如：1 儲存在 E；5 儲存在 A
• 造成雙方聽不懂、雞同鴨講的問題，因此需要一位翻譯、代理人，也就是 Stub

Stub (proxy)

主要就是做 XDR 轉換 (External Data Representation)，也就是轉換 Big/Small 的部分。

XDR 的意思是一種通用的格式，Big/Small Endian 的資料經過 Stub 都會轉換成這種大家都看得懂的格式。

Stub 轉換成 XDR 送出去的動作是 Marshalling，即翻譯好丟出去，例如：中翻英，再用英文講出去的這個動作）。而 Stub 收到 XDR 格式的資料就會依自身主機需求，轉換成 Big/Small Endian (Unmarshalling)，例如：聽到英文，轉成中文再傳給 Server 聽（解譯）。

過去 big endian 比較常見，但現在的作業系統 big 跟 small 兩種都會，比較少出問題了。

RPC 在 TCP/IP 傳輸時可能漏掉東西，或是多傳了幾次

改善的方式與技術：

• Exactly once（僅處理一次）：一定要剛好傳一次就到
  • 資料不能重複，要求 100%，做法較難
  • 使用 match maker，類似三方交握的方法
• At most once（最多處理一次）：最多傳一次就到
  • 一直傳，使用時間戳記 (Timestamp) 紀錄，發現時間戳記不對就丟掉，因此資料可能會丟失
  • 大部分都是這個方式，因為比較簡單

Pipe

仿照硬體 Pipeline 的行為，在 Process 之間開一條或數條線來放資料。

電腦如果要一次做很多工作，會先把動作切成碎片，每個工作輪流做一些、快速切換，讓人看起來是很多工作同時被做。

有讀取端 (Read-end) 與寫入端 (Write-end)，就叫做 Pipeline，輸入 Linux 指令或 CGI 時會看到。

Pipe 又分為 Ordinary Pipe（單向）與 Named Pipe（雙向）。

Ordinary Pipe

兩個 Process 的 f_inode 會指向同一個地方，f_op 代表這個 Process 是要做什麼的，有 fd[0] (Write end) 跟 fd[1] (Read end)。

步驟：

首先有一個人先建管線，假設是 A process 自願建 Pipe 跟 B 連接，A 的 f_inode 連到 Pipe，此時 A process 的 f_op 有寫入端與讀取端。

A Process 透過 fork() 的動作，複製子 Process (fd[0], d[1]) 的定義給 B Process，接著 B 把它的 f_inode 也連起來，此時兩邊都有讀取端與寫入端。

因為一端只能是讀或是寫，所以 A 把自己的讀取端砍掉，B 把自己的寫入端砍掉，變成 A process 寫給 B Process 去讀取。

Named Pipe

有一端可以同時是讀 + 寫。

以上資源是我自己整理過後的筆記，若有錯誤歡迎隨時和我聯繫