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程序和執行緒的通俗理解

 

QQ程式如果沒有執行,那它只是程式,而不是程序,一旦運行了QQ程式,那它就成了程序。QQ程式一旦執行成了程序,作業系統如windows就要分配給QQ執行的記憶體空間,CPU執行的時間以及其它資源,這樣QQ程式就可正常運行了。如果要執行其它程式,如防毒軟體,作業系統也要做同樣的事情。有了程序之後,最大的好處就在於電腦可以同時執行多個程式,每個程式就是一個程序。而如果沒有程序呢,那電腦一次只能執行一個程式,你玩QQ,就不能再同時聽歌、玩遊戲等等;如果你想要聽歌,只能關掉QQ,再開啟聽歌曲的軟體進行聽歌了。

有了程序,可以讓多個程式同時執行,

一個程序在執行時,一次只能執行一個任務,要想執行第二個任務,只能等第一個任務執行完後,再執行。但在我們現實應用中,就會出現不能等的情況,而是希望一個程式(程序)的多個任務同時執行。為達到這個目的,執行緒就出現了。執行緒可以讓一個程式(程序同時執行多個任務(併發)。比如我們用word程式時(一個程序),可能會存在三個任務:a、接受鍵盤輸入;b、將鍵盤輸入的內容顯示在顯示器上;c、輸入的內容儲存在硬碟上。如果沒有執行緒,那隻能是程式先等鍵盤輸入內容,然後過好長時間,再把你輸入的內容顯示在顯示器上,等內容顯示出來了,再將內容儲存在硬碟上。但事實上,你在用Word時,一邊輸入,一邊就顯示了,同時也自動儲存在硬碟上了(程式可設定自動儲存),沒有等待的感覺,這就得歸功於執行緒的作用了。有了執行緒之後,你就感覺輸入、顯示、儲存好像是同時發生一樣(併發,同一時間,一併發生)。

執行緒和程序的作用與區別,一句話概括的話,就是上文中紅字的解釋。以下文字內容與圖片從網上收集,也較通俗地解釋了執行緒與程序的區別。看完之後,再看網上較專業的解釋就能看得明白了。

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,發現有一個很好的類比,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,一次只能供給一個車間使用。也就是說,一個車間開工的時候,其他車間都必須停工。背後的含義就是,單個CPU一次只能執行一個任務。

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總是執行一個程序,其他程序處於非執行狀態。

4.

一個車間裡,可以有很多工人。他們協同完成一個任務。

5.

執行緒就好比車間裡的工人。一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。這象徵一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,有些房間最多隻能容納一個人,比如廁所。裡面有人的時候,其他人就不能進去了。這代表一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.

一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[ˈmju:tʃuəl]相互的;共同的 exclusion[ɪkˈsklu:ʒn]拒絕;排斥,縮寫 Mutex[m'ju:teks]),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沖突。

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