汽車電子嵌入式開發系列50篇（五）-OS操作系統的進程與線程

進程與線程

對于操作系統來說，一個任務就是一個進程（Process），比如打開一個瀏覽器就是啟動一個瀏覽器進程，打開一個記事本就啟動了一個記事本進程，打開兩個記事本就啟動了兩個記事本進程，打開一個 Word 就啟動了一個 Word 進程。

有些進程還不止同時干一件事，比如Word，它可以同時進行打字、拼寫檢查、打印等事情。在一個進程內部，要同時干多件事，就需要同時運行多個“子任務”，我們把進程內的這些“子任務”稱為線程（Thread）。

類比：

進程 = 工廠

線程 = 工廠里各個流水線

注意：一個進程可能對應多個端口號，一個端口對應一個進程。

進程

進程可以認為是程序執行時的一個實例。進程是系統進行資源分配的獨立實體，且每個進程擁有獨立的地址空間。（即 資源的分配和調度的一個獨立單元）

進程控制塊(Process Control Block, PCB)：保存運行期間進程的數據，PCB 是進程存在的唯一標志。

進程 = 程序 + 數據 + PCB

一個進程無法直接訪問另一個進程的變量和數據結構，如果希望讓一個進程訪問另一個進程的資源，需要使用進程間通信，比如：管道、文件、套接字等。

進程的五種基本狀態及其轉換：

創建狀態：進程正在被創建，尚未轉到就緒狀態，創建進程需要申請一個空白的 PCB，并向 PCB 寫一些控制和管理進程的信息，然后由系統分配資源，將進程轉入就緒狀態。

就緒狀態：進程已處于準備執行的狀態，獲得了除處理機以外的一切所需資源。

執行狀態：進程在處理機上運行。在單處理機環境下，每一時刻最多只有一個進程運行。

阻塞狀態：進程正在等待某一事件（服務請求）而暫停運行，如 等待某資源變為可用（不包括處理機）或等待輸入輸出 I/O 完成，即使處理機空閑，該進程也不能運行。

結束狀態：進程正從系統中消失，這可能是進程正常結束或其他原因中斷退出運行，當進程需要結束運行時，系統首先必須置該進程為結束狀態，然后再進一步處理資源釋放和回收。

注意：后備隊列在外存中，而就緒隊列在內存中。

進程同步與互斥

PV 操作是一種實現進程互斥與同步的有效方法。PV操作與信號量的處理相關，P 表示通過(荷蘭語 passeren)的意思，V 表示釋放(荷蘭語 vrijgeven)的意思。

具體來源可以查看PV操作的來源

互斥與同步：

互斥：是指某一資源同時只允許一個訪問者對其進行訪問，具有唯一性和排它性。但互斥無法限制訪問者對資源的訪問順序，即 訪問是無序的。

同步：是指在互斥的基礎上（大多數情況），通過其它機制實現訪問者對資源的有序訪問。在大多數情況下，同步已經實現了互斥，特別是所有寫入資源的情況必定是互斥的。少數情況是指可以允許多個訪問者同時訪問資源。

在操作系統中，信號量S是一整數。

當 S≥0 時，S 表示可供并發進程使用的資源實體數；

當 S<0 時，S 表示正在等待使用資源實體的進程數。

建立一個信號量必須說明此信號量所代表的意義并且賦初值。

除賦初值外，信號量僅能通過PV操作來訪問。

信號量 S(semaphore) 代表“資源數”

P 操作的主要動作是：通過(荷蘭語 passeren)（即 讓進程使用資源）

S 減 1；

類比：“占用了一個資源”

若相減結果仍大于或等于 0，則進程繼續執行；

類比：“若占用一個資源后，還有多余的資源或者剛好用完資源，那么就代表該進程有資源可以利用，進程也就可以繼續執行”

若相減結果小于 0，則該進程被阻塞（掛起），之后放入等待該信號量的等待隊列中，然后轉入進程調度。

類比：“若占用一個資源后，還欠別人資源，那么就代表該進程根本就沒有資源可以用了，所以先欠著，掛個號，等待”

V 操作的主要動作是：釋放(荷蘭語 vrijgeven)（即 讓進程釋放資源）

S 加 1；

類比：“資源占用完了，物歸原主，釋放資源”

若相加結果大于 0，則進程繼續執行；

類比：“若釋放資源后，資源數大于 0，就代表庫存里的資源充裕，奉還資源后，還有資源可以給你利用，那就繼續占用資源，繼續執行”

若相加結果小于或等于 0，則從該信號的等待隊列中釋放一個等待進程（喚醒，等待→就緒），然后再返回原進程繼續執行 或轉入進程調度。

類比：“若一個進程結束，釋放資源后，資源數還是欠別人的或者為 0，就代表庫存里的資源很緊張，資源剛一釋放就被其他進程一搶而空，所以自己就不能用了，得先來后到，把資源給下一個進程用，讓下一個進程就緒。

如果執行不需要此資源，那么等自己執行完后（有的執行并不一定需要此資源）把處理機讓給下一個進程用；

如果執行需要此資源，那么轉入進程調度，重新排隊，等等再執行，把處理機讓給下一個進程用，讓下一個進程執行。”

注意：PV 操作對于每一個進程來說，都只能進行一次，而且必須成對使用。

代碼化如下：

P 操作：

↓CloseCode↓

V 操作：

↓CloseCode↓

進程通信

根據交換信息量的多少和效率的高低，進程通信分為如下低級通信和高級通信。

低級通信：只能傳遞狀態和整數值（控制信息）。（如 同步互斥工具：PV 操作）

由于進程的互斥和同步，需要在進程間交換一定的信息，故不少學者將它們也歸為進程通信。

特點：傳送信息量小，效率低，每次通信傳遞的信息量固定，若傳遞較多信息則需要進行多次通信。

編程復雜：用戶直接實現通信的細節，容易出錯。

高級通信：提高信號通信的效率，傳遞大量數據，減輕程序編制的復雜度。

提供三種方式：

共享內存模式

消息傳遞模式

共享文件模式

在通信進程之間存在一塊可直接訪問的共享空間，通過對這片共享空間進行寫/讀操作，實現進程之間的信息交換。

在對共享空間進行寫/讀操作時，需要同步互斥工具（如 P操作、V操作），對共享空間的寫/讀進行控制。

類比：

進程 = 物品

共享空間 = 錢

用錢進行交換，而不用物物交換

在消息傳遞模式中，進程間的數據交換是以格式化的消息(Message)為單位的。

進程通過系統提供的發送消息和接收消息兩個原語進行數據交換。

若通信進程之間不存在可直接訪問的共享空間，則必須利用操作系統提供的信息傳遞方法實現進程通信。

可分為直接和間接兩種通信方式：

直接：將消息發送給接收進程，并將它掛在接收進程的信息緩沖隊列中，接收進程從消息緩沖隊列中取得消息。

間接：將消息發送給某個中間實體（信箱），接受進程從中間實體中取得消息，又稱為信箱通信方式。

類比：

甲給乙寫信

直接：甲直接把信交給乙

間接：甲通過郵差把信交給乙

共享文件：用于連接一個發送進程和一個接收進程，以實現它們之間通信的文件，就是共享文件，又名 pipe（管道）文件。

向管道提供輸入的發送進程，以字節流形式將大量的數據送入管道；

而接收管道輸出的接收進程，則從管道中接收數據。

為了協調雙方的通信，管道機制必須提供互斥、同步和確定對方存在三方面的協調能力。

共享內存和消息隊列，FIFO，管道傳遞消息的區別：

消息隊列，FIFO，管道的消息傳遞方式一般為：

服務器得到輸入

通過管道，消息隊列寫入數據，通常需要從進程拷貝到內核。

客戶從內核拷貝到進程

然后再從進程中拷貝到輸出文件

上述過程通常要經過4次拷貝，才能完成文件的傳遞。

共享內存只需要：

從輸入文件到共享內存區

從共享內存區輸出到文件

上述過程不涉及到內核的拷貝，所以花的時間較少，共享內存最快。

參考：https://blog.csdn.net/m0_37806112/article/details/81671429

線程

對線程最基本的理解就是“輕量級進程”，它是一個基本的 CPU 執行單元，也是程序執行流的最小單元，由線程 ID、程序計數器、寄存器集合和堆棧組成。（即 CPU 調度的基本單元）

線程控制塊(Thread Control Block, TCB)：保存運行期間線程的數據，TCB 是線程存在的唯一標志。

線程屬于進程，是進程的一個實體，是被系統獨立和分配的基本單位。

線程自己不擁有系統資源，只擁有一點在運行中必不可少的資源，但它可以與同屬一個進程的其他線程共享進程所擁有的全部資源。

一個進程可以創建和撤銷另一個線程，同一個進程中的多個線程之間可以并發執行。

區別

進程是資源分配和調度的一個獨立單元；

而線程是 CPU 調度的基本單元。

同一個進程中可以包括多個線程，并且線程共享整個進程的資源（寄存器、堆棧、上下文），一個進程至少包括一個線程。

進程的創建調用 fork 或者 vfork，而線程的創建調用 pthread_create；

進程結束后它擁有的所有線程都將銷毀，而線程的結束不會影響同個進程中的其他線程的結束。

線程是輕量級的進程，它的創建和銷毀所需要的時間比進程小很多，所有操作系統中的執行功能都是創建線程去完成的。

線程中執行時一半都要進行同步和互斥，因為它們共享同一進程的所有資源。

線程有自己的私有屬性 TCB、線程 id、寄存器、硬件上下文；

而進程也有自己的私有屬性進程控制塊 PCB，

這些私有屬性是不被共享的，用來表示一個進程或一個線程的標志。

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