嵌入式系统中线程、信号、管道

27.嵌入式系统中线程、信号、管道一、多道程序技术为了提高计算机系统中各种资源的利用率，现代操作系统广泛采用多道程序技术（multi-programming），使多个程序同时在系统中存在并运行。CPUI/O单道程序：多道程序：CPUI/O作业甲（红黄）作业乙（蓝绿）在多道程序系统中，各个程序之间是并发执行的，共享系统资源。CPU需要在各个运行的程序之间来回地切换，这样的话，要想描述这些多道的并发活动过程就变得很困难。为此，操作系统设计者提出了进程的概念。二、进程和线程2.1什么是进程(任务)？Aprocess＝aprograminexecution是可并发执行的、具有独立功能的程序在一个数据集合上的运行过程，是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。一个进程可以简单地认为是一个程序在系统内的唯一执行。Linux中，进程具有独立的权限与职责。如果系统中某个进程崩溃，它不会影响到其余的进程。每个进程运行在其各自的虚拟地址空间中，进程之间可以通过由内核控制的机制相互通讯。一个进程应该包括：程序的代码；程序的数据；PC中的值，用来指示下一条将运行的指令；一组通用的寄存器的当前值，堆、栈；一组系统资源（如打开的文件）总之，进程包含了正在运行的一个程序的所有状态信息。特点：动态性：程序的运行状态在变，PC、寄

存器、堆和栈等；并发性：从宏观上看各进程是同时独立运行的独立性：是一个独立的实体，是计算机系统资源的使用单位。

每个进程都有“自己”的PC和内部状态，运行时独

立于其他的进程；异步性：多个进程的执行次序互不相关Process≠Program程序=代码/命令进程=程序+运行状态main()

{…..}A()

{…..}

PROGRAMmain()

{…..}A()

{…..}

PROCESS

StackRegisters,PC2.2什么是线程？

自从60年代提出进程概念以来，在操作系统中一直都是以进程作为独立运行的基本单位，直到80年代中期，人们又提出了更小的能独立运行的基本单位线程。2.3为什么提出线程？【案例】编写一个MP3播放软件。核心功能模块有三个：（1）从MP3音频文件当中读取数据；（2）对数据进行解压缩；（3）把解压缩后的音频数据播放出来。main()

{

while(TRUE）

{Read();

Decompress();

Play();

}}Read(){…}

Decompress(){…}Play(){…}问题：播放出来的声音能

否连贯？各个函数之间不是

并发执行，影响资

源的使用效率；I/OCPU单进程的实现方法多进程的实现方法程序1

main()

{

while(TRUE）

{Read();

}}Read(){…}问题：进程之间如何通信，共享数据？程序3

main()

{

while(TRUE）

{Play();

}}Play(){…}程序2

main()

{

while(TRUE）

{Decompress();

}}Decompress(){…}如何解决？需要提出一种新的实体，满足以下特性：（1）实体之间可以真正地并发执行；（2）实体之间共享相同的地址空间及其他资源；这种实体就是：线程（Thread）从两个方面来理解进程：从资源组合的角度：进程把一组相关的

资源组合起来，构成了一个资源平台

（环境），包括地址空间（代码段、数据

段）、打开的文件等各种资源；从运行的角度：代码在这个资源平台上的

一条执行流程（线程）。资源平台线程进程＝线程＋资源平台优点：一个进程中可以同时存在多个线程；各个线程之间可以并发地执行；各个线程之间可以共享地址空间。进程和线程的区别：

进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享内存，从而极大地提高了程序的运行效率。每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。但是线程不能够独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。从逻辑角度来看，多线程的意义在于一个应用程序中，有多个执行部分可以同时执行。但操作系统并没有将多个线程看做多个独立的应用，来实现进程的调度和管理以及资源分配。1.进程间为什么要通信

•数据传输(一个进程有数据要传给另一个进程)•资源共享(多个进程相互协调，共同使用临界资源)•通知事件(一个进程要向另一个进程发送消息，通知其某个事件)•进程控制(有些进程要控制另一些进程，如Debug)三、进程间通信2.进程间通信嵌入式系统中进程间通信主要采用两种形式：共享内存和消息传递。二者在逻辑上没有什么区别，进程通信采用哪种方式，主要依赖实际需要。进程间通信也可以采用信号和管道的方式。（1）共享内存方式两个进程通过共享内存单元进行通信，进程P1和进程P2的软件设计为操作已知的共享单元地址。如果P1想要给P2发送信息，它即把信息写入共享单元中；然后P2从共享单元中读出这些信息。（2）消息传递方式消息传递方式是共享内存通信方式的补充，每个通信实体有自己的发送和接收单元。消息并不是存储在通信链路中，而是保存在发送和接收方的端点处。3.信号信号是操作系统中使用最早的进程间通信机制之一，主要用于向一个或多个进程发异步事件信号，许多嵌入式操作系统也采用了信号机制。信号实际上是一个中断的模拟，它不仅可以由硬件产生，也可以由软件产生。即在进程执行的过程中，如果系统发现某个进程接收到了信号，就暂时打断进程的执行，转而去执行该进程的信号处理程序，处理完毕后，再从进程“被打断”之处继续执行。信号由一个进程产生，然后由操作系统传递给另一个进程。信号机制是比较简单的，这是因为除了信号本身，它并不传递数据。信号机制是Unix系统中最为古老的进程间通信机制，有很多情况可以产生一个信号：

•用户按下某个按键•硬件异常(如除数为0)•进程使用kill函数向另一个进程发送信号•用户使用kill命令向其他进程发送信号3.1常见信号类型SIGHUP：系统对SIGHUP信号的默认处理是终止收到该信号的进程。所以若程序中没有捕捉该信号，当收到该信号时，进程就会退出。SIGINT：程序终止(interrupt)信号，在用户键入INTR字符(通常是Ctrl-C)时发出，用于通知前台进程组终止进程。SIGILL：执行了非法指令。

通常是因为可执行文件本身出现错误，

或者试图执行数据段。堆栈溢出时也有可能产生这个信号。SIGTRAP

：

由断点指令或其它trap指令产生，由debugger使用。

3.2和信号相关的函数

a.kill函数(sys/types.h、signal.h)•原型：intkill(pid_tpid，intsigno)•功能：kill()可以用来送参数sig指定的信号给参数pid指定的进程。参数sig代表的信号编号。

•pid的4种取值：*pid>0表示将信号发送给PID=pid的进程*pid=0表示将信号发送给同组的进程*pid<0表示将信号发送给PID=|pid|的进程*pid=-1表示将信号发给所有进程b.raise函数(sys/types.h、signal.h)•原型：intraise(intsigno)•功能：允许进程给自身发送信号。 intraise(intsigno);

raise(signo)

等价于

kill(getpid(),signo);

c.alarm函数(unistd.h)•原型：unsignedintalarm(unsignedintseconds)•功能：设置一个闹钟时间，到点时产生SIGALRM信号给自己(如果不捕获该信号，则默认操作为终止该进程)；

•说明：*每个进程只能有一个闹钟时间，旧闹钟未超时而设置新闹钟时，新的替换旧的；*旧闹钟未超时而设置新闹钟，且新闹钟的second=0时表示取消旧闹钟。d.pause函数(unistd.h)•原型：intpause(void)•功能：使调用该函数的进程挂起，直到捕捉到一个信号。3.3信号处理

•当某种信号出现时，通常有3种处理情形：*忽略此信号(大多数信号被这样处理，但SIGKILL（终止某个进程）和SIGSTOP（暂停进程）不能被忽略，因为二者为超级用户提供了一种终止进程的方法)*执行用户希望的动作(通知内核在某种信号发生时，调用事先声明的函数)*执行系统默认的动作(大多数信号的默认动作是终止该进程)4、

管道通信4.1什么是管道

•将一个进程的输出和另一个进程的输入连接在一起，是单向

的、先进先出的，是进程间通信的另一种机制。在Linux系

统中，管道用两个指向同一个临时性VFS索引结点（内存中

的索引结点）的文件数据结构来实现。•写进程负责在管道尾部写入数据，读进程负责从管道头部读

出数据；•数据被进程读出后将被从管道中删除；•读空管道和写满管道的进程都将被阻塞；•管道分为无名管道和有名管道。•对管道的访问必须同步，以使读进程和写进程步调一致。Linux使用了锁、等待队列和信号量三种方式来实现同步。4.2创建管道内核是按照创建“管道文件”的模式创建“管道”的，其他类型的文件都是为“一个进程”的使用而创建的，而管道文件则“天然地”就是为了“两个进程（即读管道进程和写管道进程）”的使用而创建的。步骤如下：1）为管道文件在文件管理表中申请空闲项；2）为管道文件与进程建立联系创造条件；3）创建管道文件i结点（i节点中载入的是内存页面的地址）；4）将管道文件i结点与文件管理表建立联系；5）将管道文件句柄返回给用户进程；6）读管道进程开始操作管道文件（由于此时管道内没有任

何数据，所以此时系统会将读管道进程挂起，然后切换

到写管道进程中去执行）；7）写管道进程向管道中写入数据（Linux0.11默认：每次写

管道执行完毕后，管道中就拥有了可以读出的数据，所

以就会唤醒读管道进程；每次读管道执行完毕后，管道

中就拥有了可以写入数据的空间，所以就会唤醒写管道

进程，但唤醒并不等于立即执行。）；8）写管道进程继续向管道写入数据（当写管道操作次数执

行完后，写管道进程的时间片还没有完，所以还要继续

进行写管道操作）；9）写管道进程已将管道空间写满（在写管道进程工作的过

程中，一定会发生时钟中断，而时钟中断仅仅是削减了

它的时间片，只要时间片不被削减为0，它就会继续执行，

直到写管道进程把管道写满为止）；10）写管道进程挂起；11）读管