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，這里就來分析一下OS中的線程、進(jìn)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。

三者關(guān)系

很多小伙伴在學(xué)習(xí)OS的過程中會遇到各種程序形態(tài)，比如說進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)程，同時一個進(jìn)程包含多個線程，那么進(jìn)程、線程和協(xié)程的關(guān)系到底是怎樣的呢?作者這里畫了個簡圖，供大家參考。

對比分析

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，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(jìn) 程

進(jìn)程是一種程序的動態(tài)執(zhí)行過程，進(jìn)程對CPU并不是獨占連續(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，并對多個進(jìn)程進(jìn)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(jìn)程控制塊PCB(學(xué)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(jìn)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(jìn)程信息并管理進(jìn)程。

進(jìn)程的設(shè)計是為了讓各個應(yīng)用程序能夠更好的進(jìn)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(jìn)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和頁表機(jī)制各個進(jìn)程之間形成了隔離。 如果進(jìn)行多進(jìn)程的并發(fā)勢必需要保存當(dāng)前進(jìn)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(jìn)程進(jìn)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(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)，可以說線程是實現(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(jìn)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(jìn)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(rèn)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(dāng)前現(xiàn)場，比如寄存器值等，然后恢復(fù)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(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(jìn)行處理，效率非常高。

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(rèn)為是單進(jìn)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(jìn)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(dāng)個任務(wù)程序跑飛會導(dǎo)致整個程序無法運行的原因。

審核編輯：湯梓紅