程式與執行緒（Process Management）

上篇著重於作業系統在硬體的角色還有記憶體　硬體運作的基本機制（資料處理流程）

本篇學習目標：了解作業系統如何管理程式

Process、Thread 和 Process Control Block（PCB）

在作業系統裡，程式的執行涉及三個重要概念：Process、Thread 和 Process Control Block（PCB）。

• Program：還沒執行時，它只是靜態的檔案，比如 .exe 檔案或某個應用程式。
• Process：當你打開程式時，程式被載入記憶體，成為一個 Process，這時它已經開始消耗記憶體和 CPU 資源了。每個 Process 都是獨立的，擁有自己的記憶體空間和執行狀態。舉例：你同時開啟音樂播放器和文字編輯器，這兩個程式就是兩個 Process。
• Thread：一個 Process 可以包含多個 Thread，這些 Thread 共享 Process 的資源（如記憶體）。執行緒是「真正在跑任務」的單位。一個 Process 有多個 Thread 時，可以同時執行不同的任務。舉例：在音樂播放器裡，一個 Thread 處理播放音樂，另一個 Thread 處理下載歌曲。

簡單來說，Process 像是一個運作中的工廠，而 Thread 是工廠裡的工人，他們各司其職，但又共享同一套資源。

Process Control Block（PCB）

• PCB 是作業系統用來管理 Process 的資料結構，每個 Process 都有一個 PCB，記錄它的所有資訊，包括：
• • Process 的狀態（運行中、等待中等）。
  • 分配的記憶體和資源。
  • CPU 的寄存器狀態（暫停執行時，CPU 的暫存資料）。

舉例：當你暫停一個遊戲時，作業系統會把遊戲的狀態存到 PCB，等你重新開始遊戲時，PCB 的資料可以幫助遊戲從中斷的地方繼續運行。

以工廠來比喻，PCB 是像是「生產進度報告表」記載訂單資訊、生產狀態（待料、生產中等等）。

Context Switch 的運作方式

當 CPU 需要從執行一個 Process 切換到另一個 Process 時，會進行以下步驟：

1. 保存當前 Process 的上下文（Context）
2. • 把這個 Process 的執行狀態存到 Process Control Block（PCB）裡，包括 CPU 的寄存器內容、記憶體位置、程序計數器（Program Counter，記錄下一條指令的位置）等。
2. 切換到新 Process 的上下文
3. • 從新 Process 的 PCB 中讀取已保存的上下文，恢復它的執行狀態。
3. 繼續執行新 Process
4. • CPU 開始執行新 Process 的指令，這樣看起來就像兩個程式在「同時運行」。

舉例：像寫作業被打斷

• 你正在寫作業（Process A）。
• 電話響了，你得接電話（Process B），所以你先把作業的進度記錄好（保存 A 的上下文）。
• 接完電話後，你看回作業進度（讀取 A 的上下文），然後繼續寫作業。

為什麼需要 Context Switch？

Context Switch 的存在是為了讓多個 Process 和 Thread 能公平分享 CPU 資源。例如：

• 你在聽音樂（Process 1）。
• 你同時用瀏覽器上網（Process 2）。
• 作業系統會快速在這兩個 Process 之間切換，讓音樂不會中斷，網頁也能即時顯示。

圖片來源：FANG Interview Question | Process vs Thread

Process state 行程狀態（Process state）

行程狀態（Process State）：程式是怎麼「跑起來」的？

^圖片來源

AppWorks School Batch #16 Front-End Class 學習筆記&心得（Week 17）

Process 的運作就像我們做作業的流程：先準備資料、再執行計算，最後交作業完成。同樣，行程的狀態大致分為五種：New、Ready、Waiting、Running 和 Terminated。

五大狀態解釋

1. New（新生狀態）

新生狀態就像剛剛被老師分配作業的時候，還沒動手，只是程式剛開始被建立，還沒準備好運行。

例子：假設我們開啟了一個遊戲，這時候遊戲的程式還在載入，它的狀態就是 New。

2. Ready（準備狀態）

程式已經準備好了，資源也分配好了，就等 CPU 調度它去執行。

注意！

Ready 並不會直接到 Running！因為 CPU 會優先處理其他更急的任務。所以，Ready 的程式要先排隊進入 Waiting 狀態，等到時機成熟再執行。

例子：好比我們準備好了筆記本和筆，但老師（CPU）還在幫其他同學改作業，我們只能先坐著等。

3. Waiting（等待狀態）

到了這裡，有些同學可能會想：「老師，為什麼程式準備好還要等？」

原因是什麼？因為它還需要其他的條件才能執行！

例如：

• 它可能在等資料讀取完成（比如讀硬碟上的檔案）。
• 或者在等網路連線（像下載檔案時）。
  等這些資源準備好，它才有機會進一步執行。

4. Running（執行狀態）

終於輪到這個程式了！CPU 開始執行它的指令。這時候，程式處於「工作進行中」的狀態，正式使用 CPU 資源。

例子：像是在玩遊戲的時候，CPU 一直處理你的操作指令，比如控制角色移動、戰鬥等。

5. Terminated（終止狀態）

當程式執行完畢，或因為其他原因被終止，程式就會進入這個狀態。它已經完成任務，釋放資源，從作業系統的排程中消失。

例子：遊戲結束，畫面關閉，程式完成它的使命。

Ready 為什麼不直接到 Running？來畫圖搞清楚！

行程的狀態變化，其實是有一定順序的：

New → Ready → Waiting → Running → Terminated

1. New → Ready：
   程式剛建立，載入必要資料後，準備好等待執行。
2. Ready → Waiting：
   雖然 Ready 表示程式準備好了，但因為 CPU 資源有限，還需要等到它排到隊，才能進一步執行。
3. Waiting → Running：
   當程式的資源（如 I/O 資料）到位、CPU 空閒時，才會切換到 Running。
4. Running → Waiting（有時候會這樣）：
   如果程式在執行中需要其他額外資源，例如等待硬碟讀取，會暫時被中斷，重新回到 Waiting。
5. Running → Terminated：
   執行完成，或因錯誤而終止，正式結束。

小結一下！

Ready 不會直接跳到 Running，因為作業系統還需要進行「資源調度」和「等待」步驟，確保所有資源都到位，CPU 才能開始工作！