# Thread

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雖然前面說CPU在執行程式時，都用process來敘述，不過其實在process中有一條一條的thread，那才是CPU在分配的最小單位。

## 介紹

所謂的thread，又稱為light-weight process，是分配CPU的最小單位。當thread被建立後，每條thread有自己私有的內容，包含：

1.Thread ID
2.Thread state
3.Programming Counter
4.CPU registers
5.Stack
6.Local variables

Kernel也會幫助thread建立TCB，就像是PCB一樣。

與process有很大的不同，同一個process內不同的thread彼此共享此一process的：

1."Static" local variables
2.Code Section
3.Data Section(global section)
4.other OS Resources
5.heap memory

以下用圖片敘述process跟thread的差異，傳統process沒有多個thread，稱為single-thread。


## 好處

由於thread執行在process之下，具有以下好處：

* Responsiveness
當process下的thread被block，此時CPU可以挑別的可執行的thread繼續執行，不會導致整個process被blocked。

* Resource Sharing
thread共享同一個process的部分Resource，可以方便執行。

* Economy
thread共享code, data section以及other OS Resource，thread的context switch比process的快。

* Scalability
同一個process內不同thread可以平行在不同的CPU/core上執行。

## 與process差異

因為process之間無共享，thread之間會有部分共享，所以兩者之間有以下差異。

|Process(single thread)|Thread|
|-|-|
|Heavy weight process|Light weight process|
|分配Resource的對象單位|分配CPU Time的對象單位|
|single-threaded model|Multi-threading model|
|不同process無共享的content|同一process的thread共享部分Resource|
|process若blocked則整個process就被blocked|只要process內有thread可執行則不會被blocked|
|creation, context switch, management代價高|代價低|
|對於Multiprocessors效益發揮差|效益發揮佳|

## 種類

thread跟process一樣分成user-level以及kernel-level。


user-level thread由thread library提供相關API，也就是C或是C++最前面需要include的那些library，此作法kernel並不知道有其他新創出來的thread，所以如果執行的thread被blocked，則整個process就被blocked，雖然creation跟management很快，但是就喪失了Scalability。

kernel-level thread代表thread由kernel來負責，此時kernel知道每一條thread，可以適當的分配CPU Time，優缺點與user-level thread相反。

## Multi-threading Model

前面提到了有分成user-level以及kernel-level，底下就會介紹他們執行時的對應關係。


* Many to One Model
同一process的所有user-level thread對應到一個kernel-level thread，因為只有一個kernel-level thread要向上找user-level thread執行，所以會比較迅速，不過一樣會發生前面提到的缺點，也就是thread blocked cause process blocked。


* One to One Model
這種模式代表只要有一個user-level thread被建立，就會建立一個kernel-level thread，一對一的對應關係可以達成thread的優點，不過在kernel-level thread太多的時候，就會導致效果變差，CPU會被kernel-level thread稀釋掉。


* Many to Many Model
這種模式會先固定好kernel-level thread的數量，可能會根據CPU核心數決定，並且往上找需要執行的user-level thread執行，這種作法不但能達到thread的優點，也不會有太多kernel-level thread的問題，只是設計比較複雜而已。

## What's Next?

介紹了thread的概念，可以想像process是一間工廠，thread是工廠中的工人，他們會共用機械等資源，也會保留自身的東西，不過在這種情況下會發生人們爭奪同一個機械的問題發生，那就是我們下一篇要講的，Race Condition。

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|[CPU Scheduling Algorithm](https://hackmd.io/@dZfCcN4hT8aUuDPv3B8CWQ/H1ZwYW_mF)|[Deadlock](https://hackmd.io/@dZfCcN4hT8aUuDPv3B8CWQ/Hy6Ot7s7Y)