多線程概念

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多線程概念

進入正題

在 Operating system 的學科中有提到：

Program
Process
Thread

至於他們之間的關係呢？筆者可以舉一個實際的例子：

不論是我們平常撰寫的程式碼，或是大眾常使用的 APP, 瀏覽器...等等，都可以稱為 Program 。

當我們開啟應用程式時，作業系統會將它載入到 RAM 當中，此時位於 RAM 待執行/執行中的程式稱為 Process 。

而每個獨立的 Process 都有自己的管理員，叫做： PCB (process control box) 。

PCB 負責管理 Process 的狀態、程式計數器、CPU 暫存器、 CPU 排程資訊...等。

實際上，作業系統會管理 PCB，而 PCB 會負責管理 Process 。現在假設 Process A 需要 Process B 幫忙處理其他事情：

PA 被中斷或是等待 System Call
PA 的相關狀態會全部存取到 PCB A
PCB A 會將資源與 PCB B
PB 載入 PCB B 的資源
執行 PB

程序堵塞的狀況

以瀏覽器為例，我們都知道 JS 引擎其實只有單一執行緒。因此，當開發者因設計錯誤產生無窮迴圈，抑或是產生太多的任務將 JS 的執行序列卡住，都會造成網頁沒有任何回應，像是：按下傳送按鈕沒有回應、SPA 無法換頁...等等。

注意：是網頁沒有任何回應，不是瀏覽器沒有回應唷！

雖然 JS 引擎是單一執行緒，但是它還是透過了聰明的設計、配合瀏覽器 API 做到非同步處理。

以 Chrome 瀏覽器為例，我們在瀏覽器上面執行下列程式碼：

(function(){
  console.log('start');
	setTimeout(()=>{console.log('done!')};,5000);
	console.log('Waiting for 5s...');
})();

程式碼執行時，上面的程式碼會被一一讀取，並且將有需要處理的任務放到 Stack 當中：

console.log('start');被放到 Stack 中並且被即時處理。
setTimeout(()=>{console.log('done!')}) 被放到 Stack 中，因為該 API 由瀏覽器實作，所以將計時任務丟到 web api 處理。
console.log('Waiting for 5s...'); 被放到 Stack 中並且被即時處理。
等待 web api 計時 5 秒，將 console.log('done!') 丟到 queue 中。
stack 已經沒有任務待處理， event loop 將 queue 的任務放到 stack 中。
console.log('done!') 完成處理。

知識點： Stack 與 Queue
它們都是一種資料結構，與 Array 很像，可以存放多筆資料，不同的是， Queue 為 FIFO ， Stack 為 FILO 。

什麼是多執行緒 (Multi-threads)

剛剛介紹了 Process 以及 Program ，至於 Thread 呢？

Thread 就是負責將 Process 完成的那位要角。一個 Process 是可以分配多個 Thread 去執行任務的，考慮實際應用面，我們以 Server 程式為例：

當前端程式像後端程式發起請求，若使用多線程開發，這時 Process 就可以去分派多個 Thread 去處理不同的使用者請求，以防止單執行緒時會有程序堵塞的狀況。回到正題，多執行緒的應用有很多好處，像是：

響應快，不像單一執行緒會因為單一執行緒停擺造成應用程式崩潰。
資源的分享、使用較 Process 容易、少。
擴展性好：在多處理器架構下，可以做到平行處理。

聰明的讀者可能會問：

單核心處理器能做到多線程嗎？

~~可以，當然可以，哪次不可以。~~

我們可以利用分時多工的概念讓單核心支持多線程，不過因為本系列文並不是作業系統原理概論，所以就先不一ㄧ介紹啦。

總結

筆者會在 Deno Workers 之前特別獨立一篇文章說明 CS 領域的學科原理，不外乎是希望讀者不要只學會如何使用工具，身為技術人應該要努力理解技術背後的原理。

當我修了資料結構、演算法以及作業系統後，開始發現我們日常使用的應用程式或是開發者用到的 Library, Tool, Framework 都大量使用了相關知識。

確實，不懂 Queue 跟 Stack 也可以寫出商業邏輯。但我認為學習相關知識後不管是在撰寫程式碼、閱讀原始碼時都會有更多不同的感受。

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在 Operating system 的學科中有提到：

Program
Process
Thread

至於他們之間的關係呢？筆者可以舉一個實際的例子：

不論是我們平常撰寫的程式碼，或是大眾常使用的 APP, 瀏覽器...等等，都可以稱為 Program 。

當我們開啟應用程式時，作業系統會將它載入到 RAM 當中，此時位於 RAM 待執行/執行中的程式稱為 Process 。

而每個獨立的 Process 都有自己的管理員，叫做： PCB (process control box) 。

PCB 負責管理 Process 的狀態、程式計數器、CPU 暫存器、 CPU 排程資訊...等。

實際上，作業系統會管理 PCB，而 PCB 會負責管理 Process 。現在假設 Process A 需要 Process B 幫忙處理其他事情：

PA 被中斷或是等待 System Call
PA 的相關狀態會全部存取到 PCB A
PCB A 會將資源與 PCB B
PB 載入 PCB B 的資源
執行 PB

程序堵塞的狀況

注意：是網頁沒有任何回應，不是瀏覽器沒有回應唷！

雖然 JS 引擎是單一執行緒，但是它還是透過了聰明的設計、配合瀏覽器 API 做到非同步處理。

以 Chrome 瀏覽器為例，我們在瀏覽器上面執行下列程式碼：

(function(){
  console.log('start');
	setTimeout(()=>{console.log('done!')};,5000);
	console.log('Waiting for 5s...');
})();

程式碼執行時，上面的程式碼會被一一讀取，並且將有需要處理的任務放到 Stack 當中：

console.log('start');被放到 Stack 中並且被即時處理。
setTimeout(()=>{console.log('done!')}) 被放到 Stack 中，因為該 API 由瀏覽器實作，所以將計時任務丟到 web api 處理。
console.log('Waiting for 5s...'); 被放到 Stack 中並且被即時處理。
等待 web api 計時 5 秒，將 console.log('done!') 丟到 queue 中。
stack 已經沒有任務待處理， event loop 將 queue 的任務放到 stack 中。
console.log('done!') 完成處理。

知識點： Stack 與 Queue
它們都是一種資料結構，與 Array 很像，可以存放多筆資料，不同的是， Queue 為 FIFO ， Stack 為 FILO 。

什麼是多執行緒 (Multi-threads)

剛剛介紹了 Process 以及 Program ，至於 Thread 呢？

Thread 就是負責將 Process 完成的那位要角。一個 Process 是可以分配多個 Thread 去執行任務的，考慮實際應用面，我們以 Server 程式為例：

響應快，不像單一執行緒會因為單一執行緒停擺造成應用程式崩潰。
資源的分享、使用較 Process 容易、少。
擴展性好：在多處理器架構下，可以做到平行處理。

聰明的讀者可能會問：

單核心處理器能做到多線程嗎？

~~可以，當然可以，哪次不可以。~~

我們可以利用分時多工的概念讓單核心支持多線程，不過因為本系列文並不是作業系統原理概論，所以就先不一ㄧ介紹啦。

總結

當我修了資料結構、演算法以及作業系統後，開始發現我們日常使用的應用程式或是開發者用到的 Library, Tool, Framework 都大量使用了相關知識。

確實，不懂 Queue 跟 Stack 也可以寫出商業邏輯。但我認為學習相關知識後不管是在撰寫程式碼、閱讀原始碼時都會有更多不同的感受。

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總結

延伸閱讀

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