# PPT in Operating system
在學習並行程式設計之前，我們需要先了解 Program 、 Process 、 Thread 的定義，這邊筆者舉一個簡單的例子:
> 當我們開啟 APP 時， APP 會被載入到 Memory 中，而執行中的 APP 在一般情況下僅有一個執行緒 (Thread) 。
在上面的例子中，尚未執行的 APP 就是 `Program` ，執行中的 APP 則是 `Process` 。
## Program
Program 在 Operating System 這門學科中並沒有太多的介紹，讀者可以把 Program 當成是可執行檔 (`*.out`, `*.elf`, `*.exe`...) 即可。
## Process
考慮上圖， Process 在執行時，狀態會不斷的改變， Process 的狀態共有：
- new： Process 被初始化。
- running： 正在被處理。
- waiting： 等待某些條件成立，及 Blocked (待會兒就會提到)。
- ready： 等待作業系統處理，此時作業系統可能將運算資源交給 I/O 或是其他 Process 了。
- terminated： Process 完成執行。
### 記憶體配置
> 以 32 位元的電腦為例，每個暫存器有 32 個位元可以利用，這也代表它做多可以定址 4GB 的記憶體位置。
下圖反映了當作業系統運行時， RAM 是如何被分配的:
- Stack
存放函數的參數、區域變數等。
- Heap
記憶體擴充區，程式設計者可以運用 Heap 的空間讓程式在記憶體使用上有更多的彈性。以 C 語言為例，使用 `malloc` 時，便會從 Heap 分配出一段空間:
```c=
#include <stdlib.h>
// ...
int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
```
- Data
- UBSS
又稱 bss segment (block started by symbol, bss)，包含未明確初始的 global 和 static 變數，當執行程式時會將其這區段的記憶體初始為零。那之所以把未初始化的在分隔到一區段的原因是因為，當程式存放在硬碟中的時候，沒有那個必要留空間存放這些未初始化的資料，只需要執行時去紀錄位置和所需大小，在 run time 的時候利用 program loader 分配。
- IBSS
存放已正確初始化的 global 和 static 變數，當程式被讀進記憶體中時，這些值就會從執行檔被讀入。
- Text
Text segment 存放最重要的東西: 可執行的機器碼 (也就是編譯組語後的結果，內容是一堆 0 和 1 )。
## Process ID
為了方便追蹤每個 Process ，作業系統會分配給每個 Process 一個獨立的 ID (又稱 Process ID)。此外 Process 也會有一個紀錄 Parent PID 的 PPID 。
```c=
#include <unistd.h>
pid_t get_pid(void);
pid_t get_ppid(void);
```
### Process Tree
Parent process 會建立 Children processes，而 Children processes 又可以建立自己的 Children processes 形成樹狀結構:
### PID in PThread
再以 POSIX Thread 為例，可以用 `pthread_self()` 查詢 PID :
```c=
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
void* thread_func(void *arg)
{
printf("thread id=%lu\n", pthread_self());
return arg;
}
int main(void)
{
pid_t pid;
pthread_t tid;
pid = getpid();
printf("process id=%d\n", pid);
pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
pthread_join(tid,NULL);
return 0;
}
```
> 補充 1 :
> 你可能會問 `get_pid()` 與 `pthread_self()` 都會返回 PID 阿，那差別在哪?
> 答: POSIX Thread 是 User-level 的 Thread 而 get_pid() 可以查詢 Kernel-level 的 Process ID 。
> 補充 2 :
> `pthread_self()` 的定義也可以在 Linux Programmer's Manual 中查到:
> 
### More details...
不只如此， Processes 還包含:
- Running State
前面已經提到:
- File Descriptors
該 Process 使用到的 File 。
> 注意!這裡的 File 是指檔案，而非文件。
> 在 UNIX 的設計中，[所有東西都是**檔案**](https://en.wikipedia.org/wiki/Everything_is_a_file)!
- Arguments - 一個存放參數的文字列表，不同的程式語言都有不同的參數代入方法，以 C 語言為例:
```c=
#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
printf("We have %d arguments:\n", argc);
for (int i = 0; i < argc; ++i) {
printf("[%d] %s\n", i, argv[i]);
}
return 0;
}
```
將上面的程式編譯過後並執行:
```
gcc source.c
./a.out 1 2 3
```
可以得到:
```
We have 4 arguments:
[0] ./a.out
[1] 1
[2] 2
[3] 3
```
- Environment List
紀錄環境變數，如下圖:
## Thread
Thread 是可被作業系統排程的最小單位，它被包含在 Process 中，一個 Process 可以擁有多個 Thread 。
> 像是前面提到的 POSIX Thread 便可以讓我們撰寫具有多個執行緒的程式。
Thread 包含了以下內容:
- Thread ID
- Thread State
- Program counter
- Register set
- Stack
而在同一個 Process 中的 Thread 共享以下資源:
- Code section
- Data section
- OS Resources
> 圖片取自該[連結](https://wangwilly.github.io/willywangkaa/2018/07/10/Operating-System-Process-Management-and-Thread-Management/)。
## User-level v.s. Kernel-level
常見的 User-level thread 有這些實作方法:
- Pthread
- Win32 Threads
- JAVA Threads
常見的 Kernel-level thread:
- Windows XP/2000
- Solaris
- Linux
- Tru64 UNIX
而兩者有以下差異:
- 前者由程式編寫者分配，後者由作業系統分配。
- 作業系統察覺不到 User-level thread 的存在。
舉一個例子，假設有兩個 Process 存在，前者有 3 條 Thread ，後者有 2 條 Thread 。
如果作業系統採取均勻分配處理器資源的話，在不同的 Case 下會形成巨大的效能差異:
- User-level thread
因為作業系統無法察覺 User-level thread 的存在，縱使兩個 Process 有不同數量的執行緒，仍只能分配到同樣的處理器資源。
- Kernel-level thread
2 個 Process 共有 5 條執行緒，在作業系統能察覺的情況下， Process 1 能獲得 3 x 20% 的處理器資源， Process 2 則獲得剩餘的 40% 處理器資源。
### Thread 的優勢
無論是建立成本或是 Context switch 的成本， Thread 都比 Process 有更顯著的效能。
不過也因為在同個 Process 底下的 Thread 享有 Code section 以及 Data ，若設計不良可能會造成 Race condition 以及 Critical section 的原因。對於這個部分，會在之後的議題做更詳細的介紹。
### 執行緒一定是越多越好嗎?
設計優良的多執行緒程式的確能榨出更多的處理器資源，但多執行緒程式在設計上需要特別小心，錯誤的設計可能會導致整個 Process 被 Block 。此外，建立執行緒以及內文交換都是需要成本的，如果程式的功能非常單一、簡單，將其改寫成多執行緒程式有時候反而會造成性能下降!
## Reference
- [mropengate.blogspot.com](https://mropengate.blogspot.com/2015/01/operating-system-ch4-multithread.html)
- [SystemProgramming](https://github.com/angrave/SystemProgramming)
- [並行和多執行緒程式設計](https://hackmd.io/@sysprog/concurrency/https%3A%2F%2Fhackmd.io%2F%40sysprog%2FS1AMIFt0D)
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