嵌入式系统设计--课堂总结（嵌入式Linux多任务：进程、线程）

嵌入式Linux多任务：进程、线程

硬件条件：单个CPU单个核
单任务：一个任务执行完毕之后下个任务才能执行；
多任务：任务的执行可以被中断，中断之后可以执行其他任务；（并发/并行）
单核CPU:并发
多核的CPU:并发，并行

进程实现多任务；
特点：给每个进程分配独立的地址空间，4G的大小（1G内核，3G用户空间（栈、堆、数据段、代码段）；互不干扰；
进程创建方式：fork>exec函数族>system>vfork；
进程的退出：exit（）库函数：清理缓冲 _exit()系统调用API：不清理缓冲
进程等待：wait（）；解决：僵尸进程
<僵尸进程、孤儿进程、守护进程、控制台进程、后台进程>
学习目标：学会创建多任务程序：进程

进程间通信–IPC
原理：尽管进程空间是各自独立的，相互之间没有任何可以共享的空间，但是至少还有一样东西是所有进程所共享的，那就是OS，因为甭管运行有多少个进程，但是它们共用OS只有一个。
既然大家共用的是同一个OS，那么显然，所有的进程可以通过大家都共享第三方OS来实现数据的转发。
因此进程间通信的原理就是，OS作为所有进程共享的第三方，会提供相关的机制，以实现进程间数据的转发，达到数据共享的目的。

广义上的进程间通信：A进程—文件—B进程 或 A进程—数据库—B进程
通过普通文件通信


结果：通信成功

狭义上的真正的 “进程间通信”（内核提供）：
1、管道
①无名管道
特点：管道只允许具有血缘关系的进程间通信，如父子进程间的通信；
管道只允许单向通信；
读管道时，如果没有数据的话，读操作会休眠（阻塞），写数据时，缓冲区写满会休眠（阻塞）
函数原型
头文件：#include
函数：int pipe(int pipefd[2]);
参数：缓存地址，缓存用于存放读写管道的文件描述符。从这个参数的样子可以看出，这个缓存就是一个拥有两个元素的int型数组。
1）元素[0]：里面放的是读管道的读文件描述符
2）元素[1]：里面放的是写管道的写文件描述符。
功能：创建一个用于亲缘进程（父子进程）之间通信的无名管道（缓存），并将管道与两个读写文件描述符关联起来。 特别需要注意的是，这里的读和写文件描述符，是两个不同的文件描述符。
注意：创建管道需要在创建子进程之前，因为如果创建在之后，那么父子进程会各自创建一个管道，因而不能实现通信。

子程序实现写操作：注意：要关闭读操作

父进程实现读操作：

结果：

②有名管道
特点：任意两个进程通信；
使用一个“有名管道”是无法实现双向通信的，因为也涉及到抢数据的问题；
函数原型
头文件：#include
函数：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
参数：
1）pathname：被创建管道文件的文件路径名。
2）mode：指定被创建时原始权限，一般为0664（110110100），必须包含读写权限。
返回值：成功返回0，失败则返回-1，并且errno被设置。
功能：创建有名管道文件，创建好后便可使用open打开
如果是创建普通文件的话，我们可以使用open的O_CREAT选项来创建，比如： open("./file", O_RDWR|O_CREAT, 0664);是对于“有名管道”这种特殊文件，这里只能使用mkfifo函数来创建。
有名管道用完后系统自动清除
使用步骤：
进程调用mkfifo创建有名管道；
open打开有名管道；
read/write读写管道进行通信；
创建有名管道：

子进程实现写操作：

父进程实现读操作：

结果：

以上是父子进程间的有名管道通信，除此以外，任意两个进程也可以通过有名管道实现通信
write.c

read.c

结果：
一个进程写

一个进程读

有名管道相比较于无名管道的优点：能够实现任意两个进程间的通信
两者都存在的缺点：只允许单向通信且会阻塞
有名管道改进：设置两个管道，一个用来读，一个用来写可以解决单向通信
2、消息队列
消息队列的本质就是由内核创建的用于存放消息的链表，由于是存放消息的，所以我们就把这个链表称为消息队列。
特点：传送有格式的消息流；多进程网状交叉通信时，消息队列是上上之选；能实现大规模数据的通信；
使用步骤：
①使用msgget函数创建新的消息队列、或者获取已存在的某个消息队列，并返回唯一标识消息队列的标识符（msqID），后续收发消息就是使用这个标识符来实现的。
int msgget(key_t key, int msgflg);
头文件：
#include
#include
#include
参数：
key值用于为消息队列生成（计算出）唯一的消息队列ID。
使用ftok函数来生成key
#include
#include
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

ftok通过指定路径名和一个整形数，就可以计算并返回一个唯一对应的key值，
只要路径名和整形数不变，所对应的key值就唯一不变的。
不过由于ftok只会使用整形数（proj_id）的低8位，因此我们往往会指定为一个ASCII码值，因为ASCII码值刚好是8位的整形数。
msgflg： 指定创建时的原始权限，比如0664
返回值：
成功：返回消息队列标识符（消息队列的ID）对于每一个创建好的消息队列来说，ID是固定的。
失败：失败返回-1，并设置errno。

②收发消息
发送消息：
（a）进程先封装一个消息包
这个消息包其实就是如下类型的一个结构体变量，封包时将消息编号和消息正文写到结构体的成员中。
struct msgbuf
{
long mtype; /* 放消息编号，必须> 0 /
char mtext[msgsz]; / 消息内容（消息正文） */
};

（b）调用相应的API发送消息
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
参数：
msqid：消息队列的标识符。
msgp：存放消息的缓存的地址，类型struct msgbuf类型，这个缓存就是一个消息包（存放消息的结构体变量）。
msgsz：消息正文大大小。
msgflg：

• 0：阻塞发送消息
  也就是说，如果没有发送成功的话，该函数会一直阻塞等，直到发送成功为止。
  -IPC_NOWAIT：非阻塞方式发送消息，不管发送成功与否，函数都将返回
  也就是说，发送不成功的的话，函数不会阻塞。
  
  接受消息：
  ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
  参数：
  msqid：消息队列的标识符。
  msgp：缓存地址，缓存用于存放所接收的消息，类型还是struct msgbuf：
  msgsz：消息正文的大小
  msgtyp：要接收消息的编号
  int msgflg：
• 0：阻塞接收消息
  也就是说如果没有消息时，接收回阻塞（休眠）。
  IPC_NOWAIT：非阻塞接收消息
  也就是说没有消息时，该函数不阻塞
  
  ③使用msgctl函数，利用消息队列标识符删除消息队列
  int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
  参数：
  msqid：消息队列标识符
  cmd：控制选项，其实cmd有很多选项，这里只简单介绍三个
• IPC_STAT：将msqid消息队列的属性信息，读到第三个参数所指定的缓存。
• IPC_SET：使用第三个参数中的新设置去修改消息队列的属性
  + 定一个struct msqid_ds buf。
  + 将新的属性信息设置到buf中
  + cmd指定为IPC_SET后，msgctl函数就会使用buf中的新属性去修改消息队列原有的属性。
• IPC_RMID：删除消息队列
  删除消息队列时，用不到第三个参数，用不到时设置为NULL。
  buf：存放属性信息，如果是删除队列则为NULL
  
  wait(NULL)表示等待子进程执行完成
  结果：
  
  3、共享内存
  让同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新
  特点：减少进入内核空间的次数；直接使用地址来读写缓存时，效率会更高，适用于大数据量的通信；
  使用步骤
  ①进程调用shmget函数创建新的或获取已有共享内存
  int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
  参数：
  key：用于生成共享内存的标识符，同消息队列Key值
  size：指定共享内存的大小，我们一般要求size是虚拟页大小的整数倍
  一般来说虚拟页大小是4k（4096字节），如果你指定的大小不是虚拟页的整数倍，也会自动补成整数倍。
  semflg：与消息队列一样指定原始权限和IPC_CREAT，比如0664|IPC_CREAT。
  有在创建一个新的共享内存时才会用到，否者不会用到
  
  ②进程调用shmat函数，将物理内存映射到自己的进程空间（因为进程不能直接访问物理内存）
  void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
  功能：将shmid所指向的共享内存空间映射到进程空间（虚拟内存空间），并返回影射后的起始
  地址（虚拟地址），有了这个地址后，就可以通过这个地址对共享内存进行读写操作。
  参数：
  shmid：共享内存标识符。
  shmaddr：指定映射的起始地址 NULL：表示由内核自己来选择映射的起始地址（虚拟地址）。
  这是最常见的方式，也是最合理的方式，因为只有内核自己才知道哪些虚拟地址可用，哪些不可用。
  shmflg：指定映射条件。
  0：以可读可写的方式映射共享内存
  也就是说映射后，可以读、也可以写共享内存。
  SHM_RDONLY：以只读方式映射共享内存
  也就是说映射后，只能读共享内存，不能写。
  
  ③shmdt函数，取消映射
  int shmdt(const void *shmaddr);
  ④调用shmctl函数释放开辟的那片物理内存空间
  int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
  结果：
  
  4、信号量
  当多个进程/线程进行共享操作时，用于资源保护，以防止出现相互干扰的情况
  资源保护的操作：
  ①互斥：对于互斥操作来说，多进程共享操作时，多个进程间不关心谁先操作、谁后操作的先后顺序问题，它们只关心一件事，那就是我在操作时别人不能操作。
  ②同步：所以所谓同步就是，多个共享操作时，进程必须要有统一操作的步调，按照一定的顺序来操作
  实现互斥和同步的方法：加锁
  信号量其实是OS创建的一个共享变量，进程在进行操作之前，会先检查这个变量的值，这变量的值就是一个标记，通过这个标记就可以知道可不可以操作，以实现互斥。
  使用步骤：（互斥）
  ①进程调用semget函数创建新的信号量集合，或者获取已有的信号量集合。
  int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
  参数：
  key：设置同消息队列和共享内存。一般都使用ftok获取key值。
  nsems：指定集合中信号量的个数。用于互斥时，数量都指定为1，因为只需要一个信号量。
  semflg：设置同消息队列和共享内存。一般都设置为0664|IPC_CREAT。
  返回值：调用成功则返回信号量集合的标识符，失败则返回-1，并且errno被设置。
  
  ②调用semctl函数给集合中的每个信号量设置初始值
  int semctl(int semid, int semnum, int cmd, …);
  参数：
  semid：信号量标识符。通过标识符就能找到信号量集合。
  semnum：集合中某个信号量的编号。信号量的编号为非负整数，而且是自动从0开始编号的。
  cmd：控制选项。
  • SETVAL：通过第四个参数，给集合中semnu编号的信号量设置一个int初始值。
    如果是二值信号量的话，设置初始值要么是0，要么是1，如果信号量的目的是互斥的话，基本都是设置为1。
    
    ③调用semop函数，对集合中的信号量进行pv操作（加锁解锁）
    P操作（加锁）：对信号量的值进行-1，如果信号量的值为0，p操作就会阻塞
    V操作（解锁）：对信号量的值进行+1，V操作不存在阻塞的问题
    int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
    参数：
    semid：信号量集合的标识符。
    sops：这个参数更好理解的写法是struct sembuf sops[]，
    nsops：用于指定数组元素个数的。
    结构体成员
    struct sembuf
    {
    unsigned short sem_num;
    short sem_op;
    short sem_flg;
    }
    这个结构体不需要我们自己定义，因为在semop的头文件中已经定义了。
    sem_num：信号量编号，决定对集合中哪一个信号量进行pv操作
    sem_op：设置为-1，表示想-1进行p操作，设置1表示想+1进行v操作
    sem_flg：
  • IPC_NOWAIT： 一般情况下，当信号量的值为0时进行p操作的话，semop的p操作会阻塞。如果不想阻塞的话，可以指定这个选项，NOWAIT就是不阻塞的意思。
    -SEM_UNDO：防止死锁，还是以二值信号量为例，当进程在v操作之前就结束时，信号量的值就会一直保持为0，那么其它进程将永远无法p操作成功，会使得进程永远休眠下去，这造成就是死锁。
    
    ④调用semctl删除信号量集合
    结果：没有乱码