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[導讀]1、聊一聊 ? ? 好了,今天為大家講解講解OS中的線程、進程和協(xié)程的這幾個概念,同時一起看看RTOS中的任務(wù)到底屬于哪一種。 2、三者整體關(guān)系圖 ? ? 很多小伙伴在學習OS的過程中會遇到各種程序形態(tài),比如說進程、線程、協(xié)程、管程、纖程,oh my god!要是對他們

1、聊一聊

    好了,今天為大家講解講解OS中的線程、進程和協(xié)程的這個概念,同時一起看看RTOS中的任務(wù)到底屬于哪一種。


2、三者整體關(guān)系圖

    很多小伙伴在學習OS的過程中會遇到各種程序形態(tài),比如說進程、線程、協(xié)程、管程、纖程,oh my god!要是對他們不熟悉還真分辨不清楚,今天作者主要是把大家平時最常遇到的進程、線程和協(xié)程這三個概念講一講,其他形態(tài)作者后續(xù)再慢慢補充相關(guān)文章,下面我們簡單看一下windows里面的進程(Linux也是類似的),如下圖所示:

    我們可以發(fā)現(xiàn)每行表示一個進程,同時一個進程包含多個線程,那么進程、線程和協(xié)程的關(guān)系到底是怎樣的呢?作者這里畫了個簡圖,供大家參考。

3、詳細分析一下

1)并發(fā)與并行

    在講解進程之前我們先看看并發(fā)與并行的概念,并發(fā)字面上的意思就是一起發(fā)生,在乎的是一種感覺,對于單核CPU而言其對指令的處理都是順序執(zhí)行,只是說類似于一種時間上分時交替處理,給用戶的一同發(fā)生的表象,這就是并發(fā)。

    并行是指令同一時刻一起運行,這種方式一般在多處理器系統(tǒng)中發(fā)生。

2)  進     程   

    進程是一種程序的動態(tài)執(zhí)行過程,進程對CPU并不是獨占連續(xù)執(zhí)行的,OS管理著進程需要經(jīng)常打斷當前的進程,并對多個進程進行監(jiān)控調(diào)度等,那么在內(nèi)核中就有一個結(jié)構(gòu)體叫做進程控制塊PCB(學RTOS應(yīng)該聽過任務(wù)控制塊TCB,后面會提到)-(Process Control Block),該結(jié)構(gòu)體包含了該進程幾乎所有的信息和資源,那么OS也就是通過這個控制塊來獲得進程信息并管理進程。

    進程的設(shè)計是為了讓各個應(yīng)用程序能夠更好的進行隔離,比如在瀏覽網(wǎng)頁突然瀏覽器奔潰了這不會影響到我的音樂播放器,前面作者發(fā)布的OS對內(nèi)存的管理可以了解到每個進程都會有自己獨立的內(nèi)存空間,并且通過內(nèi)存管理模塊MMU頁表機制各個進程之間形成了隔離。

    如果進行多進程的并發(fā)勢必需要保存當前進程現(xiàn)場信息,比如寄存器,堆棧,更新頁表,甚至還需要從外存(比如磁盤中)置換出進程進行運行,這樣對于CPU的開銷非常大,于是為了減少開銷便有了進程內(nèi)的并發(fā)線程。

3)  線     程   

    進程的目的是隔離并發(fā),可以說線程是實現(xiàn)的共享并發(fā),所有的線程都是共用屬于進程的資源,線程是進程指令流的剝離,同樣線程有對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體信息管理TCB類似于RTOS中的TCB。

    由于線程資源共享,所以各個線程之間是會存在相互的影響,如果一個線程出現(xiàn)奔潰混亂,極大可能會影響到該進程中的其他線程;同時對于共享資源的讀寫也就會存在競爭問題,那么這樣就產(chǎn)生了一系列的共享資源的處理辦法,臨界區(qū),互斥信號等等。

    同時現(xiàn)在目前大部分OS其線程的管理、調(diào)度和并發(fā)都是通過內(nèi)核了完成的,這樣就會存在較多系統(tǒng)調(diào)用以及從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換,都會消耗一些時間,為了更進一步減少開銷,直接在用戶態(tài)實現(xiàn)更好的并發(fā)就出現(xiàn)了協(xié)程概念。

4)  協(xié)     程   

    之前的總覽關(guān)系圖我們也知道一個線程里面可以運行多個協(xié)程,其實函數(shù)調(diào)用就是一種狀態(tài)為初態(tài)的協(xié)程,A函數(shù)中調(diào)用B函數(shù),可以認為是A任務(wù)切換到B任務(wù)來執(zhí)行,然后執(zhí)行完回到A任務(wù),不過這樣調(diào)用的任務(wù)始終是從初始狀態(tài)開始,如果一個函數(shù)主動放棄CPU通過保存當前現(xiàn)場,比如寄存器值等,然后恢復到另外一個函數(shù)的寄存器狀態(tài),便實現(xiàn)了任意狀態(tài)函數(shù)的并發(fā)執(zhí)行,就實現(xiàn)了協(xié)程。好吧,解釋得有點繞,畫個圖理解理解:

協(xié)程的特點:
  • 協(xié)程是用戶態(tài)執(zhí)行的并發(fā),相對線程開銷要??;

  • 協(xié)程主動放棄占用,對相關(guān)資源不需要進行鎖處理;

  • 非常適合IO密集型任務(wù),比如非常經(jīng)典的生產(chǎn)者與消費者的雙線程模式,如果用協(xié)程,生產(chǎn)出來以后立馬讓步給消費者進行處理,效率非常高。

4、RTOS任務(wù)屬于多線程

    對于目前主流的RTOS,比如ucos,freeRTOS,RT-thread等等,都是屬于并發(fā)的線程,其實從RT-thread名字上看,其表示的就是實時的線程。

  • 首先對于MCU上的資源每個任務(wù)都是共享的,可以認為是單進程多線程模型。

  • MCU一般沒有內(nèi)存管理模塊MMU等等,這樣無法很好的實現(xiàn)進程的安全,如果用軟件實現(xiàn),開銷太大,對于MCU沒有太多的必要,這也是為什么我們當個任務(wù)程序跑飛會導致整個程序無法運行的原因。

5、最后小節(jié)

    可能部分小伙伴對于這幾個概念還有諸多疑惑,其并不是對這幾個概念不理解而是對OS的運行原理有些迷惑,所以大家對這部分感興趣也可以查找相關(guān)書籍進行系統(tǒng)的學習,加油!

   

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