汽车电子嵌入式开发系列50篇（五）-OS操作系统的进程与线程

进程与线程

对于操作系统来说，一个任务就是一个进程（Process），比如打开一个浏览器就是启动一个浏览器进程，打开一个记事本就启动了一个记事本进程，打开两个记事本就启动了两个记事本进程，打开一个 Word 就启动了一个 Word 进程。

有些进程还不止同时干一件事，比如Word，它可以同时进行打字、拼写检查、打印等事情。在一个进程内部，要同时干多件事，就需要同时运行多个“子任务”，我们把进程内的这些“子任务”称为线程（Thread）。

类比：

进程 = 工厂

线程 = 工厂里各个流水线

注意：一个进程可能对应多个端口号，一个端口对应一个进程。

进程

进程可以认为是程序执行时的一个实例。进程是系统进行资源分配的独立实体，且每个进程拥有独立的地址空间。（即 资源的分配和调度的一个独立单元）

进程控制块(Process Control Block, PCB)：保存运行期间进程的数据，PCB 是进程存在的唯一标志。

进程 = 程序 + 数据 + PCB

一个进程无法直接访问另一个进程的变量和数据结构，如果希望让一个进程访问另一个进程的资源，需要使用进程间通信，比如：管道、文件、套接字等。

进程的五种基本状态及其转换：

创建状态：进程正在被创建，尚未转到就绪状态，创建进程需要申请一个空白的 PCB，并向 PCB 写一些控制和管理进程的信息，然后由系统分配资源，将进程转入就绪状态。

就绪状态：进程已处于准备执行的状态，获得了除处理机以外的一切所需资源。

执行状态：进程在处理机上运行。在单处理机环境下，每一时刻最多只有一个进程运行。

阻塞状态：进程正在等待某一事件（服务请求）而暂停运行，如 等待某资源变为可用（不包括处理机）或等待输入输出 I/O 完成，即使处理机空闲，该进程也不能运行。

结束状态：进程正从系统中消失，这可能是进程正常结束或其他原因中断退出运行，当进程需要结束运行时，系统首先必须置该进程为结束状态，然后再进一步处理资源释放和回收。

注意：后备队列在外存中，而就绪队列在内存中。

进程同步与互斥

PV 操作是一种实现进程互斥与同步的有效方法。PV操作与信号量的处理相关，P 表示通过(荷兰语 passeren)的意思，V 表示释放(荷兰语 vrijgeven)的意思。

具体来源可以查看PV操作的来源

互斥与同步：

互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即 访问是无序的。

同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源。

在操作系统中，信号量S是一整数。

当 S≥0 时，S 表示可供并发进程使用的资源实体数；

当 S<0 时，S 表示正在等待使用资源实体的进程数。

建立一个信号量必须说明此信号量所代表的意义并且赋初值。

除赋初值外，信号量仅能通过PV操作来访问。

信号量 S(semaphore) 代表“资源数”

P 操作的主要动作是：通过(荷兰语 passeren)（即 让进程使用资源）

S 减 1；

类比：“占用了一个资源”

若相减结果仍大于或等于 0，则进程继续执行；

类比：“若占用一个资源后，还有多余的资源或者刚好用完资源，那么就代表该进程有资源可以利用，进程也就可以继续执行”

若相减结果小于 0，则该进程被阻塞（挂起），之后放入等待该信号量的等待队列中，然后转入进程调度。

类比：“若占用一个资源后，还欠别人资源，那么就代表该进程根本就没有资源可以用了，所以先欠着，挂个号，等待”

V 操作的主要动作是：释放(荷兰语 vrijgeven)（即 让进程释放资源）

S 加 1；

类比：“资源占用完了，物归原主，释放资源”

若相加结果大于 0，则进程继续执行；

类比：“若释放资源后，资源数大于 0，就代表库存里的资源充裕，奉还资源后，还有资源可以给你利用，那就继续占用资源，继续执行”

若相加结果小于或等于 0，则从该信号的等待队列中释放一个等待进程（唤醒，等待→就绪），然后再返回原进程继续执行 或转入进程调度。

类比：“若一个进程结束，释放资源后，资源数还是欠别人的或者为 0，就代表库存里的资源很紧张，资源刚一释放就被其他进程一抢而空，所以自己就不能用了，得先来后到，把资源给下一个进程用，让下一个进程就绪。

如果执行不需要此资源，那么等自己执行完后（有的执行并不一定需要此资源）把处理机让给下一个进程用；

如果执行需要此资源，那么转入进程调度，重新排队，等等再执行，把处理机让给下一个进程用，让下一个进程执行。”

注意：PV 操作对于每一个进程来说，都只能进行一次，而且必须成对使用。

代码化如下：

P 操作：

↓CloseCode↓

V 操作：

↓CloseCode↓

进程通信

根据交换信息量的多少和效率的高低，进程通信分为如下低级通信和高级通信。

低级通信：只能传递状态和整数值（控制信息）。（如 同步互斥工具：PV 操作）

由于进程的互斥和同步，需要在进程间交换一定的信息，故不少学者将它们也归为进程通信。

特点：传送信息量小，效率低，每次通信传递的信息量固定，若传递较多信息则需要进行多次通信。

编程复杂：用户直接实现通信的细节，容易出错。

高级通信：提高信号通信的效率，传递大量数据，减轻程序编制的复杂度。

提供三种方式：

共享内存模式

消息传递模式

共享文件模式

在通信进程之间存在一块可直接访问的共享空间，通过对这片共享空间进行写/读操作，实现进程之间的信息交换。

在对共享空间进行写/读操作时，需要同步互斥工具（如 P操作、V操作），对共享空间的写/读进行控制。

类比：

进程 = 物品

共享空间 = 钱

用钱进行交换，而不用物物交换

在消息传递模式中，进程间的数据交换是以格式化的消息(Message)为单位的。

进程通过系统提供的发送消息和接收消息两个原语进行数据交换。

若通信进程之间不存在可直接访问的共享空间，则必须利用操作系统提供的信息传递方法实现进程通信。

可分为直接和间接两种通信方式：

直接：将消息发送给接收进程，并将它挂在接收进程的信息缓冲队列中，接收进程从消息缓冲队列中取得消息。

间接：将消息发送给某个中间实体（信箱），接受进程从中间实体中取得消息，又称为信箱通信方式。

类比：

甲给乙写信

直接：甲直接把信交给乙

间接：甲通过邮差把信交给乙

共享文件：用于连接一个发送进程和一个接收进程，以实现它们之间通信的文件，就是共享文件，又名 pipe（管道）文件。

向管道提供输入的发送进程，以字节流形式将大量的数据送入管道；

而接收管道输出的接收进程，则从管道中接收数据。

为了协调双方的通信，管道机制必须提供互斥、同步和确定对方存在三方面的协调能力。

共享内存和消息队列，FIFO，管道传递消息的区别：

消息队列，FIFO，管道的消息传递方式一般为：

服务器得到输入

通过管道，消息队列写入数据，通常需要从进程拷贝到内核。

客户从内核拷贝到进程

然后再从进程中拷贝到输出文件

上述过程通常要经过4次拷贝，才能完成文件的传递。

共享内存只需要：

从输入文件到共享内存区

从共享内存区输出到文件

上述过程不涉及到内核的拷贝，所以花的时间较少，共享内存最快。

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

线程

对线程最基本的理解就是“轻量级进程”，它是一个基本的 CPU 执行单元，也是程序执行流的最小单元，由线程 ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈组成。（即 CPU 调度的基本单元）

线程控制块(Thread Control Block, TCB)：保存运行期间线程的数据，TCB 是线程存在的唯一标志。

线程属于进程，是进程的一个实体，是被系统独立和分配的基本单位。

线程自己不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源，但它可以与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。

一个进程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。

区别

进程是资源分配和调度的一个独立单元；

而线程是 CPU 调度的基本单元。

同一个进程中可以包括多个线程，并且线程共享整个进程的资源（寄存器、堆栈、上下文），一个进程至少包括一个线程。

进程的创建调用 fork 或者 vfork，而线程的创建调用 pthread_create；

进程结束后它拥有的所有线程都将销毁，而线程的结束不会影响同个进程中的其他线程的结束。

线程是轻量级的进程，它的创建和销毁所需要的时间比进程小很多，所有操作系统中的执行功能都是创建线程去完成的。

线程中执行时一半都要进行同步和互斥，因为它们共享同一进程的所有资源。

线程有自己的私有属性 TCB、线程 id、寄存器、硬件上下文；

而进程也有自己的私有属性进程控制块 PCB，

这些私有属性是不被共享的，用来表示一个进程或一个线程的标志。

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