（嵌入式八股）第5章 操作系统(三)

5.21 用户空间与内核通信方式

1. 系统调用（System Call）

系统调用是用户程序通过内核执行特权操作的方式。用户程序通过系统调用向内核请求服务，如读写文件、创建进程等。

代码例程：文件操作系统调用

在用户空间程序中，系统调用如 open、write 和 close 使得程序能够向内核请求操作文件的服务。通过这些接口，用户程序能访问到硬盘上的文件，而不需要直接操作硬件。

2. 文件接口（File Interface）

文件接口是用户程序通过标准文件操作与内核进行通信的常见方式，允许用户程序通过文件进行数据的读写。

代码例程：文件读写

文件接口通过标准的 C 库函数，如 fopen()、fgets() 和 fclose()，允许用户程序与内核中的文件系统进行交互。这是用户程序与内核进行数据交换和管理的一种常见方式。

3. procfs

/proc 是一个虚拟文件系统，用户空间程序通过读取和写入 /proc 文件系统的文件与内核通信，获取或修改内核状态和信息。

代码例程：读取 /proc/cpuinfo

通过读取 /proc 文件系统中的虚拟文件，用户空间程序可以获取系统级的硬件和内核状态信息。

4. sysfs

/sys 是另一个虚拟文件系统，用于提供内核、硬件设备的状态信息。通过读取 /sys 中的文件，用户空间程序可以查询或修改设备属性。

代码例程：读取 /sys/class/net/eth0/address

通过访问 /sys 文件系统，用户程序可以查询硬件设备的属性和内核参数。这样可以动态地获取或修改设备信息，常用于设备管理和配置。

5. 共享内存（Shared Memory）

共享内存是一种进程间通信（IPC）机制，允许多个进程共享一块内存区域。这是最快的进程间通信方式，因为进程之间无需复制数据。

代码例程：创建和使用共享内存

6. 设备文件（Device Files）

设备文件是用户空间程序与内核之间进行通信的常见方式，设备文件代表了硬件设备，如串口、硬盘、字符设备等。

代码例程：通过设备文件访问串口设备

通过设备文件，用户空间程序可以与内核中的硬件设备进行通信。该例子展示了如何通过打开、写入和关闭设备文件来与串口设备进行交互。

5.22 进程、线程及之间区别

进程（Process）

• 定义：进程是操作系统资源分配的基本单位，表示一个正在运行的程序。每个进程都有自己的地址空间、数据、程序计数器和系统资源。
• 资源：每个进程拥有独立的地址空间和系统资源（如内存、文件描述符等）。进程之间相互独立，不共享资源。
• 功能：进程是程序的实体，负责管理程序的运行，包含代码、数据以及程序的执行状态。
• 创建与销毁：进程的创建和销毁需要较大的开销，因为操作系统需要分配和回收大量的资源。
• 通信：进程之间不能直接共享数据，通常需要通过进程间通信（IPC）机制，如管道、消息队列、共享内存等进行数据交换。

线程（Thread）

• 定义：线程是进程中的实际执行单位，是操作系统调度的最小单位。一个进程可以有多个线程，这些线程共享进程的地址空间和资源。
• 资源：线程共享同一进程的地址空间和资源（如内存、文件描述符），但每个线程有自己的栈空间、程序计数器和局部变量。
• 功能：线程负责在进程中执行具体的任务。线程之间的协作比进程之间的协作更加高效。
• 创建与销毁：线程的创建和销毁比进程轻便，开销较小，因为线程之间共享资源，操作系统只需要为每个线程分配最小的资源。
• 通信：线程之间通信更加方便，因为它们共享同一进程的内存，可以直接访问共享内存或通过互斥锁等机制同步数据。

进程与线程的主要区别

进一步分析：

1. 内存和资源：

• 进程：每个进程都有自己的内存空间和资源，这意味着一个进程崩溃时不会直接影响到其他进程。但是，进程之间的通信需要通过特定的机制（如消息队列、管道、共享内存等）。
• 线程：线程共享同一个进程的内存和资源，这使得线程间的通信更加高效，但也带来了同步问题（如数据竞争、死锁等）。如果一个线程崩溃，可能导致整个进程崩溃。

2. 性能：

• 进程：由于每个进程都有自己的地址空间和资源，进程间的切换开销较大。创建和销毁进程需要更多的系统资源。
• 线程：线程之间共享资源，创建和销毁线程的开销较小。线程间切换比进程切换更快，因此在需要频繁调度的情况下，使用线程可以提高性能。

3. 安全性和稳定性：

• 进程：进程相互独立，避免了一个进程的崩溃影响其他进程。操作系统可以为每个进程分配不同的资源和优先级。
• 线程：线程共享进程的内存，因此它们之间的错误（如访问未初始化的内存）可能导致整个进程崩溃。因此，线程的管理和同步需要特别注意。

总结

• 进程是资源分配的基本单位，它有独立的地址空间和资源。每个进程相互独立，进程间通信相对较慢，但更加稳定。
• 线程是执行单位，多个线程共享进程的资源，线程间通信更加高效。线程的创建和销毁较为轻量，但一个线程的崩溃可能影响整个进程的稳定性。

5.23 进程的状态

操作系统中的进程可以处于多种不同的状态，这些状态反映了进程在不同阶段的活动或等待。进程状态管理是操作系统中至关重要的部分，因为它决定了进程如何被调度和执行。以下是六种主要的进程状态：

1. 就绪态（Ready）

• 定义：就绪态是指进程已经准备好执行，只等待 CPU 调度。该进程已经分配了必要的资源，并且可以立即运行，只要操作系统为其分配 CPU 时间。
• 特征：进程进入就绪态后，操作系统会将其放入就绪队列中，等待 CPU 分配时间。此时，进程已经准备好执行，但还没有被调度执行。
• 典型操作：当一个进程的时间片用完后，它会从运行态转为就绪态，等待下次 CPU 调度。

2. 运行态（Running）

• 定义：运行态是指进程正在 CPU 上执行。进程从就绪态进入运行态后，会被操作系统调度到 CPU 上，并开始执行程序的指令。
• 特征：在运行态下，进程会执行其代码，并使用 CPU 来进行计算和处理任务。运行中的进程是唯一可以执行的进程，除非它被抢占或执行完成。
• 典型操作：一旦调度程序选择一个就绪态的进程并分配 CPU 时间片，进程就会进入运行态。

3. 僵尸态（Zombie）

• 定义：僵尸态进程是已经终止（退出）的进程，但是其父进程尚未调用 wait() 或 waitpid() 来回收该进程的资源。此时，虽然进程已经完成执行，但它仍然保留在系统中，等待父进程清理。
• 特征：在僵尸态下，进程的资源（如内存）已经释放，但进程的进程控制块（PCB）还没有被完全销毁。进程仅占用进程表中的一个条目，等待父进程清理。
• 典型操作：一旦父进程调用 wait() 等待已终止子进程，僵尸进程将被完全清除。

4. 可中断睡眠状态（浅度睡眠，Interruptible Sleep）

• 定义：可中断睡眠状态表示进程正在等待某些事件或资源，但它仍然能够接收中断信号。如果有外部事件或信号发生，进程可以被唤醒并转为就绪态。
• 特征：处于可中断睡眠的进程通常等待某些条件（如 I/O 操作完成）。如果收到信号（如 SIGINT），进程会被唤醒并进入就绪态。
• 典型操作：一个进程发起 I/O 操作或等待某个条件时进入该状态，通常可以通过外部信号唤醒。

5. 不可中断睡眠状态（不可中断等待，Uninterruptible Sleep）

• 定义：不可中断睡眠状态表示进程正在等待某些资源（如 I/O 操作），并且在等待过程中不能被中断。进程必须等待所需资源或事件的完成，不能响应信号（如中断或终止信号）。
• 特征：进程在此状态下无法被信号中断，通常用于对外部硬件或资源的等待，直到相应的资源准备好。此状态称为深度睡眠。
• 典型操作：例如，进程等待硬盘 I/O 完成时，通常处于不可中断睡眠状态。

6. 暂停态（Stopped）

• 定义：暂停态表示进程被暂停，通常是由于接收到特定的信号（如 SIGSTOP 或 SIGTSTP）。在暂停态下，进程暂停执行，但它并没有完全结束，仍然存在于系统中，等待恢复。
• 特征：进程处于暂停态时，它不再消耗 CPU 时间，但可以被操作系统恢复。恢复后，进程会转为就绪态，等待下次调度执行。
• 典型操作：通过发送 SIGSTOP 信号暂停进程，通过 SIGCONT 信号恢复进程执行。

总结

状态转换的过程

1. 从就绪态到运行态：当 CPU 调度器选择一个进程并分配 CPU 时间片时，进程从就绪态转入运行态。
2. 从运行态到睡眠态：如果进程在运行过程中需要等待某些资源（如 I/O 完成），它会进入睡眠态。如果是可中断睡眠，可以被信号唤醒；如果是不可中断睡眠，需要等待外部条件。
3. 从睡眠态到就绪态：当等待的条件满足时，进程会从睡眠态转回就绪态，等待 CPU 调度。
4. 从运行态到僵尸态：进程执行完毕，但其父进程尚未回收其资源，进程变为僵尸态。
5. 从暂停态到就绪态：当进程收到恢复信号（如 SIGCONT）时，它会从暂停态恢复，进入就绪态。

5.24 进程/线程选用的时机

在操作系统设计中，选择进程还是线程取决于应用程序的需求，特别是在资源管理、任务隔离、并发性和实时性等方面。进程和线程都有其独特的优势和使用场景。以下是使用进程和使用线程的具体情况分析。

使用进程的情况：

1. 需要独立的地址空间和系统资源

• 应用场景：当任务之间需要完全独立的环境，且需要较强的数据隔离时，应选择使用进程。每个进程有自己的内存空间和资源，不会直接影响其他进程。
• 例子：运行多个独立的应用程序或服务，如浏览器和数据库服务器，它们需要独立的内存和文件资源。

2. 需要更高的安全性和稳定性

• 应用场景：如果一个任务的崩溃不应该影响其他任务的正常运行，使用进程可以提高系统的稳定性。进程是独立的，进程崩溃时不会直接影响其他进程。
• 例子：在操作系统中，系统进程和用户进程应该分开，避免系统崩溃导致所有用户程序的崩溃。浏览器和操作系统的核心进程应该隔离，防止恶意网页或程序影响操作系统的稳定性。

3. 并行计算需求

• 应用场景：在多核处理器的情况下，进程可以充分利用多核的计算能力进行并行计算。每个进程可以在不同的 CPU 核心上独立执行，达到更高的计算效率。
• 例子：大规模的科学计算或数据处理任务，例如分布式数据库和视频编码任务。

使用线程的情况：

1. 共享数据和资源

• 应用场景：如果多个任务需要频繁共享数据和资源，并且需要较高效的通信，使用线程是更好的选择。线程之间可以直接访问同一个进程的地址空间，因此共享数据和资源变得更方便。
• 例子：在 Web 服务器中处理多个请求，多个线程可以共享数据库连接池，减少资源的占用和数据传输的开销。

2. 轻量级任务

• 应用场景：当任务较轻且需要频繁切换时，线程比进程更加轻量级。线程切换的开销远小于进程切换，因此当任务相对简单且需要快速调度时，线程更合适。
• 例子：一个图形界面程序中的按钮点击事件处理，每个事件可以通过一个线程来处理，线程切换快速且开销小。

3. 实时性要求

• 应用场景：如果任务对实时性有较高的要求，线程能够快速响应并处理任务。线程在同一进程内共享资源，因此线程之间的调度和通信速度较快，适合实时任务的处理。
• 例子：音视频处理、游戏开发等需要快速响应用户输入和数据处理的场景。多个线程可以在后台处理实时数据流，同时保持界面的响应性。

进程与线程的对比

总结

• 使用进程：当需要隔离任务、提高系统稳定性或进行计算密集型任务时，使用进程。进程是操作系统中资源分配的基本单位。
• 使用线程：当任务之间需要共享数据、高效通信并且任务轻量时，使用线程。线程之间的创建和销毁较为轻便，适合处理实时任务和频繁切换的任务。

5.25 多进程、多线程的优缺点

多进程的优点：

1. 独立性

• 每个进程有独立的内存空间和资源。当一个进程发生崩溃时，它不会影响到其他进程的执行。因此，进程之间相互独立，可以有效地避免一个进程的错误影响整个系统的稳定性。
• 例子：如果浏览器进程崩溃，它只会影响当前打开的标签页，而其他标签页的浏览器进程不受影响。

2. 安全性

• 进程之间的内存是隔离的，进程无法直接访问或修改其他进程的内存空间。这种内存隔离为进程之间提供了较高的安全性，尤其是在处理敏感数据时。