程序與執行緒

2021-09-24 00:00:21 字數 2466 閱讀 1143

程序(process)和執行緒(thread)是作業系統的基本概念,但是它們比較抽象,不容易掌握。

最近,我讀到一篇材料,發現有乙個很好的模擬,可以把它們解釋地清晰易懂。

1.計算機的核心是cpu,它承擔了所有的計算任務。它就像一座工廠,時刻在執行。

2.假定工廠的電力有限,一次只能供給乙個車間使用。也就是說,乙個車間開工的時候,其他車間都必須停工。背後的含義就是,單個cpu一次只能執行乙個任務。

3.程序就好比工廠的車間,它代表cpu所能處理的單個任務。任一時刻,cpu總是執行乙個程序,其他程序處於非執行狀態。

4.乙個車間裡,可以有很多任務人。他們協同完成乙個任務。

5.執行緒就好比車間裡的工人。乙個程序可以包括多個執行緒。

6.車間的空間是工人們共享的,比如許多房間是每個工人都可以進出的。這象徵乙個程序的記憶體空間是共享的,每個執行緒都可以使用這些共享記憶體。

7.可是,每間房間的大小不同,有些房間最多只能容納乙個人,比如廁所。裡面有人的時候,其他人就不能進去了。這代表乙個執行緒使用某些共享記憶體時,其他執行緒必須等它結束,才能使用這一塊記憶體。

8.乙個防止他人進入的簡單方法,就是門口加一把鎖。先到的人鎖上門,後到的人看到上鎖,就在門口排隊,等鎖開啟再進去。這就叫"互斥鎖"(mutual exclusion,縮寫 mutex),防止多個執行緒同時讀寫某一塊記憶體區域。

9.還有些房間,可以同時容納n個人,比如廚房。也就是說,如果人數大於n,多出來的人只能在外面等著。這好比某些記憶體區域,只能供給固定數目的執行緒使用。

10.這時的解決方法,就是在門口掛n把鑰匙。進去的人就取一把鑰匙,出來時再把鑰匙掛回原處。後到的人發現鑰匙架空了,就知道必須在門口排隊等著了。這種做法叫做"訊號量"(semaphore),用來保證多個執行緒不會互相衝突。

不難看出,mutex是semaphore的一種特殊情況(n=1時)。也就是說,完全可以用後者替代前者。但是,因為mutex較為簡單,且效率高,所以在必須保證資源獨佔的情況下,還是採用這種設計。

11.作業系統的設計,因此可以歸結為三點:

(1)以多程序形式,允許多個任務同時執行;

(2)以多執行緒形式,允許單個任務分成不同的部分執行;

(3)提供協調機制,一方面防止程序之間和執行緒之間產生衝突,另一方面允許程序之間和執行緒之間共享資源。

(完)**

這裡有一段知乎上的解釋:

看見上面幾位的回答我真的是醉了。說幾句我的理解。

首先來一句概括的總論:程序和執行緒都是乙個時間段的描述,是cpu工作時間段的描述。

下面細說背景

cpu+ram+各種資源(比如顯示卡,光碟機,鍵盤,gps, 等等外設)構成我們的電腦,但是電腦的執行,實際就是cpu和相關暫存器以及ram之間的事情。

乙個最最基礎的事實:cpu太快,太快,太快了,暫存器僅僅能夠追的上他的腳步,ram和別的掛在各匯流排上的裝置完全是望其項背。那當多個任務要執行的時候怎麼辦呢?輪流著來?或者誰優先順序高誰來?不管怎麼樣的策略,一句話就是在cpu看來就是輪流著來。

乙個必須知道的事實:執行一段程式**,實現乙個功能的過程介紹 ,當得到cpu的時候,相關的資源必須也已經就位,就是顯示卡啊,gps啊什麼的必須就位,然後cpu開始執行。這裡除了cpu以外所有的就構成了這個程式的執行環境,也就是我們所定義的程式上下文。當這個程式執行完了,或者分配給他的cpu執行時間用完了,那它就要被切換出去,等待下一次cpu的臨幸。在被切換出去的最後一步工作就是儲存程式上下文,因為這個是下次他被cpu臨幸的執行環境,必須儲存。

串聯起來的事實:前面講過在cpu看來所有的任務都是乙個乙個的輪流執行的,具體的輪流方法就是:先引導程式a的上下文,然後開始執行a,儲存程式a的上下文,調入下乙個要執行的程式b的程式上下文,然後開始執行b,儲存程式b的上下文。。。。

*****==== 重要的東西出現了*****===

程序和執行緒就是這樣的背景出來的,兩個名詞不過是對應的cpu時間段的描述,名詞就是這樣的功能。

執行緒是什麼呢?

程序的顆粒度太大,每次都要有上下的調入,儲存,調出。如果我們把程序比喻為乙個執行在電腦上的軟體,那麼乙個軟體的執行不可能是一條邏輯執行的,必定有多個分支和多個程式段,就好比要實現程式a,實際分成 a,b,c等多個塊組合而成。那麼這裡具體的執行就可能變成:

程式a得到cpu =》cpu載入上下文,開始執行程式a的a小段,然後執行a的b小段,然後再執行a的c小段,最後cpu儲存a的上下文。

這裡a,b,c的執行是共享了a的上下文,cpu在執行的時候沒有進行上下文切換的。這裡的a,b,c就是執行緒,也就是說執行緒是共享了程序的上下文環境,的更為細小的cpu時間段。

到此全文結束,再乙個總結:

程序和執行緒都是乙個時間段的描述,是cpu工作時間段的描述,不過是顆粒大小不同。

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