Learning Objectives
- 區分程式與行程，說出核心要為一個行程記住哪些資料
- 說明五種行程狀態與它們之間的轉換，以及 ready 和 blocked 的差別
- 舉出行程會被阻塞的原因，並說明阻塞的行程不佔用 CPU
- 說明內容切換保存了什麼，代價在哪裡
同一支程式開兩次，就是兩個行程
開兩個終端機視窗，或把同一個瀏覽器開兩次，磁碟上的程式檔案只有一個，電腦裡卻有兩個互不相干的東西在跑：一個當掉，另一個還在；它們記憶體裡的資料也不同。
| 程式（program） | 行程（process） | |
|---|---|---|
| 是什麼 | 磁碟上的檔案，內容是指令與初始資料 | 一支程式跑起來之後的實體 |
| 狀態 | 不會動 | 有目前執行到哪一行、記憶體裡的值、開著的檔案 |
| 數量 | 一個檔案 | 同一個檔案可以同時有很多個 |
核心給每個行程一個編號（pid，process ID），並且讓每個行程都以為自己獨佔一套東西：
- 位址空間：行程看到的記憶體。不同行程看到同一個位址，內容可以完全不同。
- CPU：其實是輪流用，但行程感覺不到自己被暫停過。
下面這支程式在真正的 Linux 上列出系統裡所有行程。Linux 的 /proc 是核心提供的虛擬目錄，每個行程一個子目錄，ps 這類工具就是讀這裡：
PID STATE COMMAND
1 S dumb-init
2 R output.s
在真正的 Linux 上實際執行的結果（Compiler Explorer 的 Linux x86-64 環境，gcc 13.3，2026-11-04）。
這個環境是個小容器，只有兩個行程：負責啟動的 dumb-init 和這支程式自己（編譯出來的執行檔叫 output.s）。在你自己的 Linux 或 WSL 上，用 ps -eo pid,ppid,stat,comm 會看到幾十到幾百個。
PCB：核心替每個行程記的資料
行程被暫停時，核心要記得所有東西，之後才接得回來。這份資料叫行程控制區塊（process control block，PCB）。Linux 裡對應的資料結構叫 task_struct。
| PCB 裡的資料 | 用途 | 在 os-lab 哪裡看 |
|---|---|---|
| pid、父行程 pid | 辨識行程、維持親子關係 | 卡片標題、「行程樹」面板 |
| 狀態 | 就緒、執行中、等待中 | 卡片上的標籤 |
| 暫存器、程式計數器 | 暫停時 CPU 的內容，恢復時放回去 | 卡片上的「暫存器」與第幾行 |
| 記憶體資訊（頁表） | 這個行程的位址空間 | 「記憶體」面板 |
| 開啟的檔案（fd 表） | 第 4 課 | 「檔案與 fd」面板 |
| 訊號的處理方式 | 第 4 課 | |
| 排程資訊 | 優先權、用了多少 CPU，第 5、6 課 | 統計列 |
Linux 把一部分 PCB 的內容透過 /proc/<pid>/status 給你看。下面在真正的 Linux 上讀自己的狀態，然後睡 5 次，再讀一次：
Name: output.s
State: R (running)
Pid: 2
PPid: 1
VmRSS: 1416 kB
Threads: 1
voluntary_ctxt_switches: 0
nonvoluntary_ctxt_switches: 0
--- 睡 5 次之後 ---
Name: output.s
State: R (running)
Pid: 2
PPid: 1
VmRSS: 1548 kB
Threads: 1
voluntary_ctxt_switches: 5
nonvoluntary_ctxt_switches: 0
在真正的 Linux 上實際執行的結果（Compiler Explorer 的 Linux x86-64 環境，gcc 13.3，2026-11-04）。
最後兩行是這個行程到目前為止的內容切換次數。voluntary 是自己讓出 CPU（例如等待 I/O、睡眠），nonvoluntary 是被核心換下來（例如時間片用完）。睡 5 次，voluntary 剛好多 5。State 是 R，因為它讀這個檔案的時候正在執行。
五種狀態
教科書常用五種狀態描述行程的一生：
| 狀態 | 意思 |
|---|---|
| 新建（new） | 正在建立，還不能跑 |
| 就緒（ready） | 可以跑，只是還沒輪到 CPU |
| 執行（running） | 正在 CPU 上跑。一顆核心同時只有一個 |
| 等待（waiting，也叫 blocked） | 在等某件事，給它 CPU 也沒用 |
| 結束（terminated） | 跑完了，等著被清理 |
這張圖最重要的地方，是等待的行程在事情發生之後會回到就緒排隊，不會直接回到執行，因為 CPU 可能正有別人在用。
ready 和 blocked 是最容易混淆的一對。 就緒的行程想要 CPU，只差排隊；等待中的行程不要 CPU，它缺的是別的東西。排程器只會從就緒的行程裡挑。
行程在等什麼
常見的阻塞原因：
| 行程做了什麼 | 在等什麼 | 誰叫醒它 |
|---|---|---|
sleep(2) |
時間到 | 計時器中斷 |
read 檔案或網路 |
資料送到 | 磁碟或網卡的中斷 |
read 管線 |
另一個行程寫入資料 | 寫入資料的那個行程 |
wait |
子行程結束 | 子行程結束時由核心通知 |
pthread_mutex_lock（第 8、9 課） |
別人放開鎖 | 放開鎖的執行緒 |
共同點是等的東西不在 CPU 上，所以行程把 CPU 讓出來。一支程式花在等待的時間可能遠多於計算的時間，例如文字編輯器大部分時間都在等你按鍵。多工因此才划算：一個行程等硬碟時，別的行程可以用 CPU。
在 Linux 的 ps 裡，狀態用一個字母表示（這些字母和上面五種狀態不是一對一）：
| 字母 | 意思 |
|---|---|
R |
正在跑或可以跑：包含教科書的「執行」與「就緒」 |
S |
可以被訊號打斷的睡眠：大部分在等事件的行程 |
D |
不可打斷的睡眠，通常在等 I/O |
T |
被工作控制的訊號停住（例如按 Ctrl+Z） |
Z |
殭屍：已經結束，父行程還沒來收（下一課） |
所以 ps 看到很多個 R，不代表有那麼多行程同時在 CPU 上。
內容切換存了什麼、代價在哪裡
從行程 A 換到行程 B 叫內容切換（context switch）。觸發的時機有兩種：A 自己進入等待（voluntary），或是計時器中斷讓核心決定換人（nonvoluntary）。
核心要做的事：
- 把 A 的暫存器、程式計數器、堆疊指標存進 A 的 PCB。
- 把 A 的狀態改成就緒或等待，選出下一個行程 B。
- 換到 B 的位址空間（把 CPU 指向 B 的頁表）。
- 從 B 的 PCB 放回暫存器與程式計數器，B 從上次停下的地方繼續。
B 完全不知道自己被暫停過，它的暫存器和停下時一模一樣。
代價分兩層：
- 直接的代價：上面這幾步要執行指令，這段時間沒有人在做有用的計算。
- 間接的代價：換了位址空間，TLB（位址轉換的快取，第 13 課）的內容用不上；B 的資料也不在 CPU 快取裡。B 剛開始跑的那段時間會比較慢。
所以時間片不能切得太短，否則 CPU 都花在切換上，這個取捨第 5 課會細談。
確認一下
同一支程式執行兩次，產生兩個行程。下面哪一個不是兩者各有一份？
行程 A 呼叫 read 讀硬碟，資料讀完時，A 會變成什麼狀態？
一台單核心電腦，ps 顯示有 4 個行程的狀態是 R。下面哪一個說法正確？
行程 A 跑到一半被換下來，之後怎麼知道要從哪裡繼續？
等 5 秒有兩種寫法：sleep(5)，或是寫一個迴圈一直檢查時間。兩者差在哪裡？
重點整理
- 程式是磁碟上的檔案，行程是它跑起來之後的實體；同一支程式可以有很多個行程，各有自己的位址空間與暫存器。
- 核心用 PCB 記住行程的一切。暫停時把 CPU 的內容存進去，輪到時放回來。
- 五種狀態裡最關鍵的區別：就緒是在等 CPU，等待是在等別的事；等待結束之後要回到就緒排隊。
- 內容切換有直接代價，也有快取、TLB 失效的間接代價。
下一課看行程是怎麼來的：fork、exec 和 wait，也就是 Shell 啟動程式的方式。