黃大偉理財研究室

Thread(線程)是什麼？Program, process , thread有何不同？

Process是什麼？

process是一個正在被計算機系統執行的程序的instance。它是一個重量級的、獨立的執行單元，擁有自己的記憶體空間、系統資源和execution context。

當一個program被執行時，OS(作業系統)會創建一個新的process來運行program。每個process都有自己的記憶體空間，用於存儲程序的指令和數據。process還擁有自己的系統資源，如 可使用CPU 時間和網絡帶寬(network bandwidth)。這些資源由OS分配，並由process使用來執行其指令。

當一個新的process被創告時, OS為其建立一個process control block (PCB) , PCB是一種數據結構，其中包含有關特定process的資訊，例如process的當前狀態(current state)、記憶體使用(memory usage)情況以及請求的資源(requested resources)。 

process還有一個 execution context，包括當前指令指針(instruction pointer)和registers的值等信息。這個execution context由OS用來追踪process的狀態並調度其執行。process的context指的是描述process的目前狀態(current state)的一組資訊。這可能包括當前CPU寄存器的值、記憶體內容、開啟檔案和網路連接的狀態等資訊。operating system使用這些資訊來儲存process的狀態並在之後恢復時恢復它。context也包括process目前的狀態(執行中、等待等)和優先順序和排程資訊

process可以通過pipes、sockets和(message queues)等process間溝通機制與其他process進行資料共享。它們也可以創建子process和終止自己。OS使用記憶體管理來確保每個process有執行指令所需的記憶體，並使用調度來確保每個process都能公平地分配 CPU 時間。

下面是清大周志遠教授的作業系統課程中,針對process的說明：

Thread是什麼？

在作業系統中，一個thread是一個執行單元，代表進程中的單個控制流。 它是一個輕量級、獨立的執行路徑，可以與Process中的其他thread並行運行。 每個thread都有自己的program計數器(counter)、堆棧(stack)和其他資源。

thread可視為輕量(ligthweight)process；thread是program去使用CPU的最基本、最小執行單位。

thread是program將自身劃分為兩個或多個並發任務的一種方式。 作業系統單獨調度每個thread，因此每個thread獨立於其他thread運行。 這允許多個thread在單個處理器上同時運行，從而可以提高Program的性能和響應速度。

thread可以通過共享內存(shared memory)、信號量(semaphores)或其他方式相互通信。 它們還可以共享相同的文件描述符(file descriptor)，例如在讀取文件時，但仍具有單獨的讀/寫指針(pointers)。

thread是作業系統的重要組成部分，因為它們用於通過允許同時執行多個任務(multiple tasks)來提高性能。 例如，Web 服務器可以使用thread並行處理多個客戶端請求，而不是按順序處理每個請求，這會導致延遲和性能不佳。

thread也用於並行編程(parallel programming)，其目標是使用多個處理器同時(simultaneously)執行多個任務。 與順序編程(sequential programming)相比，這可以顯著提高性能，在sequential programming中任務一個接一個地執行。

thread vs process 有何不同？

thread是存在於進程中的輕量級獨立執行單元。 process是包含一個或多個thread的重量級獨立執行單元。 每個process都有自己的內存空間和系統資源，而同一個process內所有的threads共享內存空間和資源。 這意味著process中的thread可以比process之間更容易地共享數據和相互通信。 此外，thread有時被稱為輕量級process，它們不需要自己獨立的內存空間。

同一process中的線程共享相同的內存空間，這意味著它們可以輕鬆地共享數據並通過讀取和寫入相同的內存位置來相互通信。 它們還共享相同的文件描述符表(file descriptor table)，這意味著它們對打開的文件(open files)、套接字(sockets)和其他資源具有相同的訪問權限。 它們還共享相同的系統資源，例如 CPU 時間和網絡帶寬。 此外，它們共享相同的環境變數(environment variables)、信號處理程序(signal handlers)和當前工作目錄(working directory)。

thread線程還共享相同的process heap 記憶體，這是process用於動態內存分配的內存區域。 這意味著它們可以在heap上分配和釋放內存，並從同一process中的其他thread訪問動態分配的內部記憶體。 其中Stack及Heap的空間是動態變動的，其餘data(gloabal variables)及text(code)的大小是固定的。

值得注意的是，thread在共享這些資源(Code section, data section及OS的資源)的同時，也有自己的stack，這是一塊內存區域，用於存放函數調用幀(function call frames)、局部變量等臨時數據(local variables)，這個stack是每個thread專有的。

一個parent process下的所有threads共享內部記憶體(Code section, data section及OS的資源)，但每一個thread會有自己的thread ID, program counter, register set 及Stack。

program、process、thread有何差別?

program、process、thread都是計算機科學中的相關概念，但指的是不同的東西。

program是計算機可以執行以執行特定任務的一組指令。 一個program可以用多種“編程”語言編寫，如C、C++、Java、Python等，並可以存儲在計算機的硬盤或其他存儲設備上。

process是正在運行的program的實例（instance）。 當一個program被執行時，操作系統會創建一個新的process來運行這個program。 每個process都有自己的內存空間（memory space)，獨立於其他process運行。 一個process可以有多個thread。

thread是process中的執行單元。 它是一個輕量級、獨立的執行路徑，可以與process中的其他thread並行運行。同一個process內的所有的threads共享相同的內存空間（memory space)，但不同thread有自己的program計數器(counter)、堆棧(stack)和其他資源。

總之,　program是計算機可以執行以執行特定任務的一組指令。process是一個正在運行的program的實例，它有自己的內存空間，獨立於其他process運行。thread是process中的一個執行單元，它是一個輕量級的、獨立的執行路徑，可以與process中的其他thread並行運行。
通過在一個process中創建多個thread，一個program可以同時執行多個任務，這就是所謂的多thread。 這可以提高program的性能和響應能力。

舉例說明，假設您有一個名為“照片編輯器(Photo Editor)”的program，允許用戶編輯和增強照片。 當用戶啟動“照片編輯器”program時，作業系統會創建一個新的process來運行該program。 process有自己的內存空間，獨立於其他process運行。

現在，假設“照片編輯器”program具有允許用戶同時對照片應用多個濾鏡的功能。 為此，program在process中創建了多個thread。 每個thread負責對照片應用特定的濾鏡。 作業系統分別調度每個thread，因此它們可以相互並行運行。 這允許program同時對照片應用多個濾鏡，從而提高program的性能和響應能力。

在這個例子中，“照片編輯器”是program，正在運行program的instance 是process，thread是process中的執行單元，可以與其他thread並行運行，以提高program的性能和響應能力。

總而言之，program是一組可以由計算機執行的指令，process是正在運行的program的實例(instance)，thread是process中的執行單元 可以與其他thread並行運行以提高性能。

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