線程基礎(chǔ)原理

線程之間搶占

中斷搶占線程

中斷搶占中斷

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運行多個線程

1.單核“單線程”

嚴格來說，單核處理器一次只能執(zhí)行一條指令，也就是說只能“單線程”。（當然，多核處理器就不一樣）

為了在單核處理器上運行多個線程，我們實際上需要定期在線程之間進行快速切換，以便用戶感覺多個線程在并行運行。

比如處理器執(zhí)行兩個線程，處理器實際在兩個線程之間來回切換，如下圖：

2.處理器在線程之間切換，它是如何做到的？

我們說的單核處理器是“單線程”的，它有一組寄存器，我們就叫這組寄存器屬于一個“線程”。

例如，計算兩個數(shù)字的總和時：

//假設(shè)我們有兩個整數(shù)：a和bint c = a + b ;

實際發(fā)生的情況如下所示（當然，它取決于的MCU類型，但總體思路是相同）：

# MIPS反匯編： LW V0, -32744(GP) # "a" 的值從RAM加載到寄存器V0LW V1, -32740(GP) # 值"b" 從RAM加載到寄存器V1ADDU V0, V1, V0 # a、b值相加，結(jié)果保存到寄存器V0中SW V0, -32496(GP) # 寄存器V0的值存儲在RAM中（變量c所在的位置）

你會發(fā)現(xiàn)上面執(zhí)行了4個動作，但是搶占式操作系統(tǒng)可以在任何時候搶占另一個線程，包括在這4個動作之間。

假如在這過程中有其他線程搶占了，其他線程同樣搶占了當前線程V0、 V1，如果不對V0、 V1進行保存，那么下次回來執(zhí)行當前線程，結(jié)果就會出錯。

所以，針對當前這種問題，我們就需要在切換線程之前，對V0、 V1的數(shù)值進行保存，當下次切換到當前線程，再恢復V0、 V1的數(shù)值，大致流程如下：

大概意思就是：當我們需要從一個線程切換到另一個線程時，內(nèi)核獲得控制權(quán)，執(zhí)行必要的內(nèi)務(wù)處理（至少要保存和恢復寄存器值），然后將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到下一個線程以運行。

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線程的堆棧

上面說的搶占位置，到底在哪里，每個線程保存在哪個寄存器值中？這就是線程的堆棧的內(nèi)容。 在有MMU的操作系統(tǒng)中，（用戶的）線程堆?？梢园葱鑴討B(tài)增長：線程需要的堆?？臻g越多，線程堆棧就越多（如果內(nèi)核允許）。 但是，我們一般的MCU卻沒有MMU這個“高端”的東西，所有RAM都靜態(tài)映射到地址空間。因此，每個線程都會有用于堆棧的RAM空間，如果線程使用的RAM超過堆棧的數(shù)量，則會導致內(nèi)存溢出或細微的錯誤。（實際上，每個線程的堆?？臻g只是一連續(xù)數(shù)組空間）。 因此，當我們決定為每個線程分配多少堆棧時，我們只是估計可能需要多少堆棧，但是具體多少可能不是很清楚。 比如，如果這是一個具有多層嵌套調(diào)用的GUI線程，則可能需要數(shù)個千字節(jié)，但如果它是一個流水燈的小線程，則可能幾十字節(jié)就足夠了。 假設(shè)我們有三個線程，它們的堆棧消耗如下：

如上面所述，每個線程的寄存器值都保存在線程的堆棧中。線程的寄存器值集稱為線程的“上下文”。如下圖所示（線程A為在正在執(zhí)行的“活動線程”）：

請注意，在正在執(zhí)行的線程A的上下文沒有保存在堆棧中，堆棧指針指向線程A用戶數(shù)據(jù)的頂部，并且當前處理器的寄存器專用于線程A。 當內(nèi)核決定將控制權(quán)切換到線程B時，它將執(zhí)行以下操作：

將所有寄存器值保存到堆棧中（保存到線程A堆棧的頂部）；

將堆棧指針切換到線程B的堆棧頂部；

從堆棧（從線程B的堆棧頂部）恢復所有寄存器值；

此時，你會看到：

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中斷（ISR）搶占

上面在執(zhí)行過程中，或進行上下文切換時，還可能會涉及到一個非常重要的內(nèi)容：中斷。 MCU通常具有外設(shè)：TIM、UART、 SPI、 CAN等，它們隨時都能發(fā)生重要事件以觸發(fā)中斷。 中斷條件是當當前正在執(zhí)行的線程暫停時，處理器在一段時間內(nèi)執(zhí)行其他操作（Handles Interrupt），然后返回。中斷可能隨時觸發(fā)，我們應該做好處理的準備。 中斷處理程序稱為ISR（中斷服務(wù)程序）：中斷可能具有不同的優(yōu)先級，例如，如果觸發(fā)了一些低優(yōu)先級的中斷，則當前正在執(zhí)行的線程將暫停，并且ISR會獲得控制權(quán)。然后，如果觸發(fā)了某個高優(yōu)先級中斷，則當前正在執(zhí)行的ISR將再次暫停，并為該高優(yōu)先級中斷運行一個新的ISR。 這樣一來，完成后，控制權(quán)將返回到第一個ISR，并且在完成時，也會恢復被中斷的線程。 重要的關(guān)鍵代碼：在線程活躍過程中，如果有重要的事情“關(guān)鍵的代碼”，在這過程中如果中斷發(fā)生，很容易導致意想不到的結(jié)果。 這部分關(guān)鍵的代碼，我們需要要保護起來，通常我們的做法就是：在之前“關(guān)鍵代碼”之前禁用全局中斷，執(zhí)行完之后，開始全局中斷。 有點需要注意：關(guān)閉全局中斷，此時就不會相應中斷，所以，“關(guān)鍵代碼”不能太長。

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中斷堆棧

在上面說到一點，高優(yōu)先級中斷搶占低優(yōu)先中斷，就會出現(xiàn)一個問題：低優(yōu)先級的代碼需要和線程一樣，用于保存數(shù)據(jù)的堆棧。 一般有兩種方法：

使用被中斷的線程堆棧；

為中斷使用單獨的堆?？臻g；

1.使用被中斷的線程堆棧如果使用被中斷的線程堆棧，就類似如下圖：

這種情況存在你一個嚴重的問題，你知道是什么嗎？ 頻繁中斷，或者中斷較多，線程自身的堆棧空間就會很快被使用完。 每個線程的堆棧都應該包含以下內(nèi)容：

線程自己的數(shù)據(jù)；

線程的上下文；

用于執(zhí)行最壞情況的ISR的數(shù)據(jù)。

因此，我們就需要換一種方法，為為所有ISR中斷開辟單獨的堆?？臻g。 2.為中斷使用單獨的堆?？臻g

為中斷使用單獨的堆?？臻g大致如上圖所示。 好了，本文講述了上面幾種關(guān)于搶占，以及相關(guān)的內(nèi)容，你學會了幾點，又有幾點沒懂，歡迎留言討論。

責任編輯：xj

原文標題：無MMU搶占式操作系統(tǒng)的搶占工作原理

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