操作系統(tǒng)相關(guān)小結(jié)

1、1. 前后臺(tái)系統(tǒng)：應(yīng)用程序是一個(gè)無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看成后臺(tái)行為。中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看成前臺(tái)行為。后臺(tái)叫任務(wù)級，前臺(tái)叫中斷級。2. 代碼的臨界段也稱為臨界區(qū)，指處理時(shí)不可分割的代碼。一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許有任何中斷打入。為確保臨界段代碼的執(zhí)行，在進(jìn)入臨界段之前要關(guān)中斷，而臨界段執(zhí)行完之后立即開中斷。3. 資源：任何為任務(wù)所占有的實(shí)體都叫資源。共享資源：可以被一個(gè)以上的任務(wù)使用的資源叫做共享資源。為了防止數(shù)據(jù)被破壞，每個(gè)任務(wù)在與共享資源打交道時(shí)，必須獨(dú)占資源，這叫互斥。4. 任務(wù)：一個(gè)任務(wù)，也稱作為一個(gè)線程，是一個(gè)簡單的程序，該程

2、序可以認(rèn)為CPU完全只屬于該程序自己。每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)無限循環(huán)。每個(gè)任務(wù)都處在以下5種狀態(tài)之下：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、掛起態(tài)和被中斷態(tài)。休眠態(tài)相當(dāng)于該任務(wù)駐留在內(nèi)存中，但并不被多任務(wù)內(nèi)核所調(diào)度。就緒態(tài)意味著該任務(wù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，可以運(yùn)行了，但是由于該任務(wù)的優(yōu)先級比正在運(yùn)行的任務(wù)優(yōu)先級低，還暫時(shí)不能運(yùn)行。運(yùn)行態(tài)的任務(wù)是指該任務(wù)掌握了CPU的控制權(quán)，正在運(yùn)行中。掛起態(tài)指該任務(wù)在等待某一事件的發(fā)生。最后，發(fā)生中斷時(shí)，CPU提供相應(yīng)的中斷服務(wù)，原來正在運(yùn)行的任務(wù)暫不能運(yùn)行，就進(jìn)入了被中斷狀態(tài)。5. 任務(wù)切換（上下文切換）：CPU寄存器內(nèi)容切換，當(dāng)內(nèi)核要運(yùn)行另外的任務(wù)時(shí)，它保存正在運(yùn)行任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)，即C

3、PU寄存器中的全部內(nèi)容。這些內(nèi)容保存在任務(wù)自己的棧區(qū)之中。入棧工作完成之后，就是把下一個(gè)將要運(yùn)行的任務(wù)的當(dāng)前狀況從該任務(wù)的棧中重新裝入CPU的寄存器，并開始下一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行。做任務(wù)切換所需要的時(shí)間取決于CPU有多少寄存器要入棧。6. 內(nèi)核：多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或則說為每個(gè)任務(wù)分配 CPU事件，并負(fù)責(zé)任務(wù)間的通訊。內(nèi)核的基本服務(wù)是任務(wù)切換。7. 調(diào)度：就是指該輪到哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行了。多數(shù)實(shí)時(shí)內(nèi)核是基于優(yōu)先級調(diào)度算法，即CPU總是讓處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)先運(yùn)行。究竟何時(shí)讓高優(yōu)先級的任務(wù)掌握CPU的使用權(quán)，有兩種不同的情況，這要看用什么類型的內(nèi)核，是不可剝奪型的還是不可剝奪型。8.

4、 不可剝奪型內(nèi)核：每個(gè)任務(wù)主動(dòng)放棄CPU的使用權(quán)，放棄的方法可以使用多種函數(shù)定時(shí)或則定事件的放棄。異步事件還是由中斷服務(wù)程序來處理。中斷處理結(jié)束之后還是回到被中斷的那個(gè)任務(wù)直至該任務(wù)主動(dòng)放棄CPU使用權(quán)。在任務(wù)級，不可剝奪型內(nèi)核允許使用不可重入函數(shù)不必?fù)?dān)心被重復(fù)調(diào)用，因?yàn)槊恳粫r(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行。9. 可剝奪型內(nèi)核：當(dāng)運(yùn)行的任務(wù)使用一個(gè)更高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)時(shí)當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)被剝奪或者掛起，更高優(yōu)先級的餓任務(wù)獲得CPU使用權(quán)。如果任務(wù)的CPU使用權(quán)被剝奪或則掛起，更高優(yōu)先級的任務(wù)獲得CPU的使用權(quán)。如果是中斷服務(wù)子程序造成的，中斷完成后被中斷的任務(wù)被掛起，執(zhí)行更高優(yōu)先級的任務(wù)。在可

5、剝奪型內(nèi)核中，要謹(jǐn)慎使用不可重用函數(shù)，因?yàn)榈蛢?yōu)先級和高優(yōu)先級的任務(wù)可能都調(diào)用該函數(shù)。10. 任務(wù)調(diào)度策略：1）基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度（由高到底）；2）輪轉(zhuǎn)調(diào)度（一人一口）；3）搶占上鎖（禁止調(diào)度器）。11. 不可重入函數(shù)主要是用于多任務(wù)環(huán)境，一個(gè)可重入的函數(shù)簡單來說是可以被中斷的函數(shù)，也就是說，可以在這個(gè)函數(shù)執(zhí)行的任何時(shí)刻中斷它，轉(zhuǎn)入OS調(diào)度去執(zhí)行另外一段代碼，而返回控制時(shí)不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤；而不可重入函數(shù)由于使用了一些系統(tǒng)資源，比如全局變量區(qū)，中斷向量表，所以它被中斷可能出現(xiàn)問題。也可以這樣理解，重入即表示重復(fù)進(jìn)入，首先意味著這個(gè)函數(shù)可以被中斷，其次意味著它除了使用自己棧上的變量外不依賴于任何

6、環(huán)境，這樣的函數(shù)可重入，可以允許有該函數(shù)的多個(gè)副本在運(yùn)行，由于他們使用的是分離的棧，所以不會(huì)相互干擾。如果需要訪問全局變量，一定要注意實(shí)施互斥手段。可重入函數(shù)在并行運(yùn)行環(huán)境中非常重要。保證函數(shù)的可重入性方法：1）盡量使用局部變量2）對于要使用的全局變量要加以保護(hù)（關(guān)中斷、信號量）。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多個(gè)任務(wù)調(diào)用同一個(gè)函數(shù)的情況。如果這個(gè)函數(shù)不幸設(shè)計(jì)成為不可重入函數(shù)，那么不同任務(wù)調(diào)用這個(gè)函數(shù)時(shí)可能修改其他任務(wù)調(diào)用這個(gè)函數(shù)的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致不可預(yù)料后果。所謂可重入函數(shù)是指一個(gè)可以被多個(gè)任務(wù)調(diào)用的過程，任務(wù)調(diào)用時(shí)不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)是否會(huì)出錯(cuò)。問題1，如何編寫可重入的函數(shù)？ 答：在函數(shù)體內(nèi)不訪問那些全

7、局變量，不使用靜態(tài)局部變量，堅(jiān)持只使用局部變量，寫出的函數(shù)就將是可重入的。如果必須訪問全局變量，記住利用互斥信號量來保護(hù)全局變量。問題2，如何將一個(gè)不可重入的函數(shù)改寫成可重入的函數(shù)？ 答：把一個(gè)不可重入函數(shù)變成可重入的唯一方法是用可重入規(guī)則來重寫它。其實(shí)很簡單，只要遵守了幾條很容易理解的規(guī)則，那么寫出來的函數(shù)就是可重入的。 1) 不要使用全局變量。因?yàn)閯e的代碼很可能覆蓋這些變量值。 2) 在和硬件發(fā)生交互的時(shí)候，切記執(zhí)行類似disinterrupt()之類的操作，就是關(guān)閉硬件中斷。完成交互記得打開中斷，在有些系列上，這叫做“進(jìn)入/退出核心”。 3) 不能調(diào)用其它任何不可重入的函數(shù)。 4) 謹(jǐn)慎

8、使用堆棧。最好先在使用前先OS_ENTER_KERNAL。堆棧操作涉及內(nèi)存分配，稍不留神就會(huì)造成益出導(dǎo)致覆蓋其他任務(wù)的數(shù)據(jù)，所以，請謹(jǐn)慎使用堆棧！最好別用！很多黑客程序就利用了這一點(diǎn)以便系統(tǒng)執(zhí)行非法代碼從而輕松獲得系統(tǒng)控制權(quán)。還有一些規(guī)則，總之，時(shí)刻記住一句話：保證中斷是安全的！可重入（reentrant）函數(shù)可以由多于一個(gè)任務(wù)并發(fā)使用，而不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。相反， 不可重入（non-reentrant）函數(shù)不能由超過一個(gè)任務(wù)所共享，除非能確保函數(shù)的互斥（或者使用信號量，或者在代碼的關(guān)鍵部分禁用中斷）?？芍厝?函數(shù)可以在任意時(shí)刻被中斷，稍后再繼續(xù)運(yùn)行，不會(huì)丟失數(shù)據(jù)?？芍厝牒瘮?shù)要么使用本地變量，要

9、么在使用全局變量時(shí)保護(hù)自己的數(shù)據(jù)。 12. 優(yōu)先級反轉(zhuǎn)：任務(wù)1優(yōu)先級高于任務(wù)2，任務(wù)2高于任務(wù)3。任務(wù)1和任務(wù)2處于掛起狀態(tài)，等待某一事件的發(fā)生，任務(wù)3正在運(yùn)行。此時(shí)任務(wù)3要使用其共享資源。使用共享資源之前，首先必須得到該資源的信號量。任務(wù)3得到該信號量，并開始使用該共享資源。由于任務(wù)1優(yōu)先級高，它等待的時(shí)間到來之后剝奪了任務(wù)3的CPU使用權(quán)，任務(wù)1開始運(yùn)行。運(yùn)行過程中任務(wù)1也要使用那個(gè)任務(wù)3正在使用的資源，由于該資源的信號量還被任務(wù)3占用著，任務(wù)1只能進(jìn)入掛起狀態(tài)，等待任務(wù)3釋放信號量。任務(wù)3 得以繼續(xù)運(yùn)行。由于任務(wù)2的優(yōu)先級高于任務(wù)3，當(dāng)任務(wù)2等待的事件發(fā)生后，任務(wù)2剝奪了任務(wù)3的CPU使

10、用權(quán)并開始運(yùn)行。處理它該處理的事件，直到處理完之后將CPU的控制權(quán)還給任務(wù)3.任務(wù)3接著運(yùn)行，直到釋放那個(gè)共享資源的信號量。直到此時(shí)才執(zhí)行任務(wù)1。13. 任務(wù)優(yōu)先級分配：單調(diào)執(zhí)行率調(diào)度發(fā)（RMS），用于分配任務(wù)優(yōu)先級。這種方法基于哪個(gè)任務(wù)執(zhí)行的次數(shù)最頻繁，執(zhí)行最頻繁的任務(wù)優(yōu)先級最高。14. 互斥條件：實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信最簡便的方法是使用共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，與共享資源打交道，使之滿足互斥條件最一般的方法有：關(guān)中斷；測試并置位；禁止做任務(wù)切換；利用信號量?；コ庵饕且?yàn)閷蚕頂?shù)據(jù)的并發(fā)訪問沒有做出合適的訪問策略造成的。例如兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問一個(gè)共享數(shù)據(jù)。保證一段時(shí)間只有一個(gè)線程在執(zhí)行一段代碼。15. 在多任務(wù)

11、內(nèi)核中普遍使用，信號量用于：1）控制共享資源的使用權(quán)；2）標(biāo)志某事件的發(fā)生；2）是兩個(gè)任務(wù)的行為同步。16. 事件標(biāo)志：當(dāng)某任務(wù)要與多個(gè)事件同步時(shí)，要使用事件標(biāo)志。若任務(wù)需要與任何事件之一發(fā)生同步，可稱為獨(dú)立型同步。任務(wù)也可以與若干事件發(fā)生同步，稱之為關(guān)聯(lián)型同步。17. 任務(wù)間的通信：有時(shí)很需要任務(wù)間的或中斷服務(wù)與任務(wù)間的通訊。這種信息傳遞稱為任務(wù)間的通訊。任務(wù)間信息的傳遞有兩個(gè)途徑：通過全程變量或發(fā)消息給另一個(gè)任務(wù)。用全程變量時(shí)，必須保證每個(gè)任務(wù)或中斷服務(wù)程序獨(dú)享該變量。中斷服務(wù)中保證獨(dú)享的唯一辦法是關(guān)中斷。如果兩個(gè)任務(wù)共享某變量，各任務(wù)實(shí)現(xiàn)獨(dú)享該變量的辦法可以是關(guān)中斷再開中斷，或使用信號量

12、(如前面提到的那樣)。請注意，任務(wù)只能通過全程變量與中斷服務(wù)程序通訊，而任務(wù)并不知道什么時(shí)候全程變量被中斷服務(wù)程序修改了，除非中斷程序以信號量方式向任務(wù)發(fā)信號或者是該任務(wù)以查詢方式不斷周期性地查詢變量的值。要避免這種情況，用戶可以考慮使用郵箱或消息隊(duì)列。18. 消息郵箱：任務(wù)間的通信可以通過全局變量或者信號量來完成。全局變量雖然可以承載通信的內(nèi)容，但是接收方無法意識到信息的到達(dá)，除非發(fā)送方向接收方發(fā)送一個(gè)信號量，或者接收方不斷該全局變量；信號量可以立即使接收方知道某個(gè)事件的發(fā)生，但無法傳遞具體內(nèi)容。用信號量進(jìn)行通信就像我們只撥通別人的手機(jī)而不與之通話；用消息隊(duì)列或者郵箱進(jìn)行通信則可達(dá)到既撥通別

13、人的手機(jī)又與之通話的效果。換句話說，消息隊(duì)列和郵箱可以及時(shí)傳送事件的內(nèi)容。郵箱通信的機(jī)理：發(fā)送方通過內(nèi)核服務(wù)把一封郵件投遞到郵箱，內(nèi)核完成投遞任務(wù)后通知等待列表中的接收方收取郵件。在整個(gè)投遞過程中，內(nèi)核充當(dāng)了郵遞員的角色。這里的“郵件”通常是一個(gè)指針，接收方可以通過該指針獲取郵件內(nèi)容。當(dāng)希望一次性向某個(gè)任務(wù)發(fā)送多則消息時(shí)，郵箱就有點(diǎn)見肘了。因?yàn)橐粋€(gè)郵箱只能裝一封信。把多個(gè)郵箱集中到一起管理和使用就變成了消息隊(duì)列，所以消息隊(duì)列的操作和郵箱很相似?？梢院唵蔚卣J(rèn)為，消息隊(duì)列是郵箱數(shù)組。進(jìn)程在執(zhí)行過程中擁有獨(dú)立的內(nèi)存單元，而多個(gè)線程共享內(nèi)存。從邏輯角度來看，多線程的意義在于一個(gè)應(yīng)用程序中，有多個(gè)執(zhí)行部分可以同時(shí)執(zhí)行。 19. 線程與進(jìn)程的區(qū)別：一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行著很多進(jìn)程，可以比喻為一條馬路上有很多馬車，不同的進(jìn)程可以理解為不同的馬車，而同一輛馬車可以有很多匹馬來拉，這些馬就是線程。簡而言之,一個(gè)程序至少有一個(gè)進(jìn)程,一個(gè)進(jìn)程至少有一個(gè)線程。線程的劃分尺度小于進(jìn)程，使得多線程程序的并發(fā)性高。另外，進(jìn)程在執(zhí)行過程中擁有獨(dú)立的內(nèi)存單元，而多個(gè)線程共享內(nèi)存，從而極大地提高了程序的運(yùn)行效率。進(jìn)程是程序在計(jì)算機(jī)上的一次執(zhí)行活動(dòng)。簡而言之，線程就是把一個(gè)進(jìn)程分為很