Thread vs Process

Thread และ Process น่าจะเป็นเรื่องแรกๆ ที่เราได้เรียนกันในสายของ Computer Science, Computer Engineering ซึ่งเป็น Concept การทำงานในระดับ OS — แน่นอนว่า เราอาจพอจะแยกได้คร่าวๆ ว่าอะไรคือ thread อะไรคือ Process วันนี้เรามาทบทวนมันอีกครั้งแล้วกัน

นิยามของ Thread และ Process

Thread

คือหน่วยประมวลผลที่เล็กที่สุดของ และมันจะโดนจัดระเบียบสังคมโดย Schecduler ของ OS และภายใน thread จะประกอบไปด้วย register และ stack

Process

คือส่วนหนึ่งๆ ของโปรแกรมที่กำลังทำงานอยู่ ใน Process จะประกอบด้วยโค้ด และ resources ต่างๆ การสร้าง Process จะขึ้นอยู่กับ OS และใน Process หนึ่งๆ อาจจะมีหลาย Threads ได้

จากนิยามข้างต้น เราสามารถวาด Diagram ได้ดังนี้

Process and Thread diagram

ข้อแตกต่างระหว่าง Process และ Thread

1. Address Space

จาก Diagram — Thread สามารถแชร์ Address Space ได้ โดยที่แต่ละ Threads ต้องอยู่ใน Process เดียวกัน, แต่ Thread จะมี Registers และ Stack เป็นของตัวเอง เพื่อใช้ทำ Context switching (Context switching ตัว OS จะเป็นคนจัดการ เมื่อต้องการเปลี่ยนการทำงานของ Thread)— แต่ Process มี Address Space เป็นของตัวเอง ไม่ได้แชร์กับใคร

2. Data and Segment

Thread ไม่มี Data และ Segment ของตัวเอง แต่ได้มาจากตัว Process ที่ครอบ Thread อยู่ จึงทำให้ Thread สามารถ แชร์ data และ segment ระหว่างกันได้ — ส่วน Process จะมี “สำเนา” ขอ Data และ Segment จาก Process ตัวแม่ การทำสำเนา คือการสร้างใหม่โดยใช้ค่าเดิม ของใหม่ที่สร้างมาถือว่าเป็นคนละตัวกัน ดังนั้นแม้สำเนาถูกแก้ Data และ Segment; Process ตัวแม่ จะไม่ถูกแก้ตามไปด้วย จึงทำให้ Process ไม่สามารถแชร์ข้อมูลกันได้โดยตรง

3. Communication

Thread ถูกออกแบบให้ สามารถติดต่อสื่อสารกันได้โดยตรงเมื่ออยู่ใน Process เดียวกัน — แต่ Process ไม่ได้ออกแบบมาให้ติดต่อสื่อสารได้โดยตรง ต้องทำผ่าน IPC (Inter-process communication) เพื่อให้ Process ลูกติดต่อกันเอง อ่านเพิ่มเรื่อง IPC

4. Context Switching Overhead

Threads จะแชร์ Virtual Memory กันเองใน Process เดียวกัน เมื่อมีการเปลี่ยน Thread ในการทำงาน — Thread ใหม่ก็ใช้ Virtual Memory เดียวกันกับ Thread เก่า; Overhead ของการเปลี่ยน Thread ถือว่ามีน้อยมาก เป็นเลขที่ไม่มีนัยยะสักเท่าไหร่ — แต่ Process จะไม่ แชร์ Virtual Memory กัน การ Switch Process จะต้องทำการ Save State เก่าก่อน แล้ว Load State ของอีก Process ขึ้นมา ซึ่งส่วนนี้จะเป็น Overhead ที่เสียไป ดูลำดับการทำงานได้จาก Diagram ข้างล่าง

Process Switching diagram

จาก Process Switching diagram จะเห็นได้ว่า ตอนที่มีการ Switch Process จะมีการ Save/Load State ทุกครั้ง ซึ่ง State ในที่นี้รวมถึง Virtual Memory ด้วย จึงทำให้ CPU ต้องประมวลผลเยอะ — ในขณะที่ Thread Switching ก็มีการ ทำ Save/Load State เช่นกัน แต่มันใช้ Virtual Memory ร่วมกัน ดังนั้นค่าใช้จ่ายในการ Switch จะต่ำกว่ามาก เมื่อเทียบกับ Process

5. Creating

จากข้อ 4 และ Process and Thread diagram เราจะเห็นว่าองค์ประกอบของ Process จะมีเยอะกว่า Thead มาก ดังนั้นการสร้าง Thread ใหม่จึงทำได้ง่ายกว่า การสร้าง Process ใหม่ — การสร้าง Thread ใหม่สามารถทำได้ทันที เมื่ออยู่ใน Process ใดๆ แต่การสร้าง Process ใหม่จะต้องทำการ folk มาจาก Process เดิมก่อน (ทำสำเนา) จากนั้นถึงจะเริ่ม execute จึงจะได้ Process ใหม่

6. Controlling

Thread ใดๆ สามารถควบคุม Thread อื่นๆ ที่อยู่ใน Process เดียวกันได้ — แต่ Process ไม่สามารถควบคุม Process ใน Level เดียวกันได้ แต่ควบคุม Child Process ได้

7. Change and Effect

การเปลี่ยนแปลงใน Main thread อาจส่งผลต่อ Thread อื่นๆ ใน Process เดียวกันได้; ในเมื่อ Thread ใช้ Virtual Memory ร่วมกัน ถ้า Thread ใดๆ สร้าง Crash ส่งผลให้ Process Crash และ Thread อื่นๆ Crash ไปด้วย — ในขณะที่ การเปลี่ยนแปลงของ Process จะไม่ส่งผลกับ Process อื่นๆ เนื่องจากมี Virtual Memory คนละตัวกัน นั้นคือ ถ้า Process A crash จะไม่ทำให้ Process B crash ไปด้วย ไม่ว่าจะเป็น Child/Parent กันหรือไม่ก็ตาม

Good and Bad

Good of Process

1. มี Virtual Memory เป็นของตัวเอง data ในแต่ละ Process จึงไม่กระทบกัน — ความเสียหายจาก Process ใดๆ จะไม่ส่งผลต่อ Process อื่น
2. มีความเป็นเจ้าของใน Resource ของตัวเอง
3. ทุก process จะมี 1 light weight process (thread) เสมอ และสามารถมีหลาย Thread เพื่อช่วยในการทำงานได้

Bad of Process

1. Context Switching สูง
2. ต้องใช้ IPC เพื่อติดต่อกันระหว่าง Process
3. สร้างได้ยากกว่า Thread และกิน Memory มากกว่า Thread

Good of Thread

1. ใช้ Virtual Memory และ Share resource กัน
2. Context Switching ต่ำ
3. ติดต่อกันเองได้ระหว่าง Thread
4. สร้างใหม่ง่ายกว่า กิน Memory น้อยกว่า

Bad of Thread

1. Resource ที่แชร์กัน ทำให้อาจจะมีการ read/write data พร้อมๆ กัน ข้อมูลในและ thread อาจจะไม่ Sync
2. ถ้า thread ใดๆ เสียหาย จะส่งผลต่อ thread อื่นๆ ใน process เดียวกันด้วย และอาจทำให้ process เสียหายไปด้วย
3. Thread คือหน่วยการทำงานที่เล็กที่สุดแล้ว ดังนั้นตัวมันเองจึงไม่สามารถมี Process ย่อยอื่นๆ มาช่วยทำงานได้อีก — แต่ยืมมือ Thread อื่น ได้นะ

สรุป

แม้ว่าในการพัฒนา Mobile Application เราจะพบเจอ Thread มากกว่า Process แต่ถ้าเราเข้าใจเรื่อง ของ Process ด้วยก็เป็นเรื่องที่ดีไม่น้อย ฉนั้นจงให้ความสำคัญกับพื้นฐานมากๆ เมื่อเราต้องศึกษาเรื่องที่ยากขึ้น เราจะได้มีองค์ความรู้ต่างๆ ประกอบการพิจารณาและการตัดสินใจเพิ่ม

Thread และ Process คือเรื่องที่มาด้วยกันเสมอ ซึ่งคุณสมบัติของทั้ง 2 อย่างนี้จะแตกต่างกันอยู่ — เมื่อถึงเวลาที่ต้องเลือกใช้ ให้พิจารณาจากคุณสมบัติต่างๆ ของมัน แล้วเลือกใช้ให้เหมาะกับสถานะการ

ขอบคุณที่อ่านจนจบจ้าาา

— จบ —