跳轉到

05.2 行程執行緒與上下文切換：保護模式的隔離#

「行程」這個詞的誕生#

1960 年代的系統軟體面臨一個命名危機：當一個程式可以被載入、暫停、換出、再恢復，甚至多份同時存在，「程式」這個詞已經不夠用了。MIT 的 MULTICS 計畫（1964 年起，與 GE、Bell Labs 合作）把這個概念正式化為 process（行程）：一個位址空間加上一組在該空間中執行的控制狀態。Jerome Saltzer 在 1966 年的博士論文《Traffic Control in a Multiplexed Computer System》中，系統地闡述了行程的建立、切換與控制，這篇論文與後續的整理，成為「行程」作為作業系統核心抽象的學術基石。Saltzer 的貢獻不止於此——他與 Daniel Schroeder 合著的《電腦系統的安全與防護》後來成為資安領域的聖經。

PCB 與上下文切換#

作業系統要管理行程，就需要替每個行程記帳，這本帳就是 行程控制塊（PCB, Process Control Block）：行程編號、狀態、暫存器內容、頁表指標、開啟檔案表、排程資訊。當排程器決定把 CPU 從行程 A 交給行程 B，就發生上下文切換（context switch）：把 A 的暫存器、程式計數器、堆疊指標存進 A 的 PCB，把 B 的值裝回 CPU，切換位址空間，然後跳進 B 上次離開的地方。

行程的狀態機本身十分簡單：

機制簡單，成本可不低：一次切換涉及數百奈秒到數微秒的暫存器保存與恢復、TLB 沖刷、快取污染，還有排程決策的時間。這個成本決定了之後五十年的架構演化方向。

x86 覺醒：保護模式降臨個人電腦#

理論再美，沒有硬體支援也只能是學校作業。UNIX 在 PDP-11 與 VAX 上如魚得水，但那些是幾萬美元的小型機。個人電腦要跑真正的多工保護作業系統，需要 CPU 有位址轉譯與特權等級——Intel 直到 80286（1982） 才補上這一課。286 的保護模式提供了段選擇子與特權級（ring 0–3），讓作業系統與應用程式得以隔離；可惜它的段式管理只能用 16 位元偏移，段最大 64KB，且切回真實模式需要重開機，被譏為「大腦死亡的晶片」。

真正的轉折是 80386（1985）：32 位元暫存器、4GB 定址空間，更重要的是——它在段式保護之外加上了分頁。Bill Gates 曾說 640KB 對任何人都夠用（這句話是否真說過有爭議），但 386 的分頁讓 PC 第一次能夠運行 demand paging 與虛擬記憶體。1980 年代末，Compaq、IBM 相容機大量出貨，而 386 保護模式介面最初還是 Intel 的機密——開發 32 位元 DOS 擴充套件的廠商得簽 NDA。1991 年，一個芬蘭學生正是透過 386 的保護模式與分頁，寫出了 Linux。x86 的保護模式，讓「真正的作業系統」從大公司的小型機專利，變成人人桌上的現實。

執行緒：更輕的並行單位#

1980 年代，研究者開始反思：切換行程太重了——要換位址空間、沖 TLB。可是共享位址空間的並行執行常常正是應用需要的。於是 thread（執行緒） 的概念興起：同一行程內多個執行流，共享位址空間但各有自己的堆疊與暫存器。CMU 的 Mach 系統、Sun 的研究與後來的 Solaris thread library，把執行緒從論文帶進產品。

執行緒有兩條實作路線：使用者級執行緒（函式庫自己排程，切換極快，但一個執行緒呼叫阻塞系統呼叫會卡死整個行程，且無法利用多核心）與核心級執行緒（核心看得見每個執行緒，能搶佔、能並行，但切換要陷入核心）。1995 年，POSIX threads（pthread） 標準誕生，統一了混亂的介面，讓多執行程式得以跨平台移植。執行緒切換比行程切換便宜一個數量級，這個差異說明了為什麼網頁伺服器、資料庫都擁抱多執行緒。

從 Round-robin 到 O(1) 與 CFS#

UNIX 早期的排程器簡單而有效：每個行程有時間片，用完就輪到下一個（round-robin），再輔以優先級與「nice 值」。隨著 CPU 數目增加，這種 O(n) 掃描全部行程的排程器成了瓶頸。2003 年，Ingo Molnar 為 Linux 2.6 寫出 O(1) 排程器：用位元圖與優先級佇列，挑下一個行程只要常數時間，並為每個 CPU 維護獨立執行佇列。2007 年他又推出 CFS（Completely Fair Scheduler），捨棄時間片，改用紅黑樹依「虛擬執行時間」排序，追求統計意義上的完全公平。

從 MULTICS 的行程抽象、Saltzer 的流量控制，到 386 保護模式、pthread、CFS，這條脈絡的主題只有一個：隔離——讓多個執行流互不踐踏，同時讓切換的成本儘可能低。個人電腦革命把硬體帶到每張桌上，而行程與執行緒的演化，則確保那顆 CPU 能公平而安全地分給每一個程式。