程序與執行緒

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）