RTOS中的線程、進(jìn)程和協(xié)程詳解

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看到有小伙伴在討論【RTOS任務(wù)屬于線程還是進(jìn)程】的話題，這里就來(lái)分析一下OS中的線程、進(jìn)程和協(xié)程的這幾個(gè)概念，同時(shí)一起看看RTOS中的任務(wù)到底屬于哪一種。

三者關(guān)系

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

我們可以發(fā)現(xiàn)每行表示一個(gè)進(jìn)程，同時(shí)一個(gè)進(jìn)程包含多個(gè)線程，那么進(jìn)程、線程和協(xié)程的關(guān)系到底是怎樣的呢?作者這里畫(huà)了個(gè)簡(jiǎn)圖，供大家參考。

對(duì)比分析

1)并發(fā)與并行

在講解進(jìn)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(jué)，對(duì)于單核CPU而言其對(duì)指令的處理都是順序執(zhí)行，只是說(shuō)類(lèi)似于一種時(shí)間上分時(shí)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(shí)刻一起運(yùn)行，這種方式一般在多處理器系統(tǒng)中發(fā)生。

2) 進(jìn) 程

進(jìn)程是一種程序的動(dòng)態(tài)執(zhí)行過(guò)程，進(jìn)程對(duì)CPU并不是獨(dú)占連續(xù)執(zhí)行的，OS管理著進(jìn)程需要經(jīng)常打斷當(dāng)前的進(jìn)程，并對(duì)多個(gè)進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)控調(diào)度等，那么在內(nèi)核中就有一個(gè)結(jié)構(gòu)體叫做進(jìn)程控制塊PCB(學(xué)RTOS應(yīng)該聽(tīng)過(guò)任務(wù)控制塊TCB，后面會(huì)提到)-(Process Control Block),該結(jié)構(gòu)體包含了該進(jìn)程幾乎所有的信息和資源，那么OS也就是通過(guò)這個(gè)控制塊來(lái)獲得進(jìn)程信息并管理進(jìn)程。

進(jìn)程的設(shè)計(jì)是為了讓各個(gè)應(yīng)用程序能夠更好的進(jìn)行隔離，比如在瀏覽網(wǎng)頁(yè)突然瀏覽器奔潰了這不會(huì)影響到我的音樂(lè)播放器，前面作者發(fā)布的OS對(duì)內(nèi)存的管理可以了解到每個(gè)進(jìn)程都會(huì)有自己獨(dú)立的內(nèi)存空間，并且通過(guò)內(nèi)存管理模塊MMU和頁(yè)表機(jī)制各個(gè)進(jìn)程之間形成了隔離。 如果進(jìn)行多進(jìn)程的并發(fā)勢(shì)必需要保存當(dāng)前進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)信息，比如寄存器，堆棧，更新頁(yè)表，甚至還需要從外存(比如磁盤(pán)中)置換出進(jìn)程進(jìn)行運(yùn)行，這樣對(duì)于CPU的開(kāi)銷(xiāo)非常大，于是為了減少開(kāi)銷(xiāo)便有了進(jìn)程內(nèi)的并發(fā)線程。

3)線 程

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

由于線程資源共享，所以各個(gè)線程之間是會(huì)存在相互的影響，如果一個(gè)線程出現(xiàn)奔潰混亂，極大可能會(huì)影響到該進(jìn)程中的其他線程；同時(shí)對(duì)于共享資源的讀寫(xiě)也就會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)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(hào)等等。 同時(shí)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(guò)內(nèi)核了完成的，這樣就會(huì)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(huì)消耗一些時(shí)間，為了更進(jìn)一步減少開(kāi)銷(xiāo)，直接在用戶態(tài)實(shí)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(gè)線程里面可以運(yùn)行多個(gè)協(xié)程，其實(shí)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(rèn)為是A任務(wù)切換到B任務(wù)來(lái)執(zhí)行，然后執(zhí)行完回到A任務(wù)，不過(guò)這樣調(diào)用的任務(wù)始終是從初始狀態(tài)開(kāi)始，如果一個(gè)函數(shù)主動(dòng)放棄CPU通過(guò)保存當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)，比如寄存器值等，然后恢復(fù)到另外一個(gè)函數(shù)的寄存器狀態(tài)，便實(shí)現(xiàn)了任意狀態(tài)函數(shù)的并發(fā)執(zhí)行，就實(shí)現(xiàn)了協(xié)程。好吧，解釋得有點(diǎn)繞，畫(huà)個(gè)圖理解理解:

協(xié)程的特點(diǎn)：

協(xié)程是用戶態(tài)執(zhí)行的并發(fā)，相對(duì)線程開(kāi)銷(xiāo)要??；

協(xié)程主動(dòng)放棄占用，對(duì)相關(guān)資源不需要進(jìn)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(fèi)者的雙線程模式，如果用協(xié)程，生產(chǎn)出來(lái)以后立馬讓步給消費(fèi)者進(jìn)行處理，效率非常高。

RTOS任務(wù)屬于多線程

對(duì)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(shí)從RT-thread名字上看，其表示的就是實(shí)時(shí)的線程。

首先對(duì)于MCU上的資源每個(gè)任務(wù)都是共享的，可以認(rèn)為是單進(jìn)程多線程模型。

MCU一般沒(méi)有內(nèi)存管理模塊MMU等等，這樣無(wú)法很好的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的安全，如果用軟件實(shí)現(xiàn)，開(kāi)銷(xiāo)太大，對(duì)于MCU沒(méi)有太多的必要，這也是為什么我們當(dāng)個(gè)任務(wù)程序跑飛會(huì)導(dǎo)致整個(gè)程序無(wú)法運(yùn)行的原因。

審核編輯：湯梓紅