Введение в QNX/Neutrino 2. Руководство по программированию приложений реального времени в QNX Realtime Platform - Роб Кёртен

Что называется блокированным состоянием? Проблема здесь состоит в том, что блокированных состояний существует несколько. Реально в QNX/Neutrino имеется более дюжины блокированных состояний.

Почему так много? Потому что ядро отслеживает причину, по которой поток заблокирован.

Мы уже ознакомились с двумя типами блокирующих состояний: когда поток заблокирован в ожидании мутекса, этот поток находится в состоянии блокировки по мутексу (MUTEX). Когда поток заблокирован, ожидая семафор, он находится в состоянии блокировки по семафору (SEM). Эти состояния просто указывают, в очереди на какой ресурс поток заблокирован.

Если по мутексу заблокировано несколько потоков, ядро не уделит им никакого внимания до тех пор, пока поток, который владеет мутексом, не освободит его. Как только это произойдет, один из блокированных потоков будет переведен в состояние готовности (READY), и ядро при необходимости примет решение о перепланировании.

Почему «при необходимости»? У потока, который только что освободил мутекс, вполне могут быть и другие дела, и он может иметь более высокий приоритет, чем все остальные ожидающие процессор потоки. В этом случае мы следуем второму правилу, которое гласит: «всегда должен выполняться поток с наивысшим приоритетом», что означает, что порядок диспетчеризации не изменяется — поток с наивысшим приоритетом продолжает работать.

Полный список состояний потоков

Ниже представлен полный список блокированных состояний с краткими пояснениями. Этот список, кстати, есть в заголовочном файле <sys/QNX/Neutrino.h>, только там эти состояния снабжены префиксом «STATE_» (например, состояние READY данной таблицы там будет звучать как STATE_READY).

Если состояние потока: To это значит, что: DEAD Поток «мертв», ядро ожидает освобождения занятых им ресурсов. (В классических UNIX системах это состояние также называют «zombie» — «зомби» — прим. ред.) RUNNING Поток выполняется. READY Поток не выполняется, но готов к работе (работает один или более потоков с более высокими или равными приоритетами). STOPPED Поток приостановлен (по сигналу SIGSTOP SEND Поток ожидает приема своего сообщения сервером. RECEIVE Поток ожидает сообщение от клиента. REPLY Поток ожидает от сервера ответ на свое сообщение. STACK Поток ожидает распределения дополнительного стекового пространства. WAITPAGE Поток ожидает устранения администратором процессов повреждения на странице. SIGSUSPEND Поток ожидает сигнал. SIGWAITINFO Поток ожидает сигнал. NANOSLEEP Поток «спит» (приостановлен на определенный период времени). MUTEX Поток ожидает захват мутекса. CONDVAR Поток ожидает соблюдения условия условной переменной. JOIN Поток ожидает завершения другого потока. INTR Поток ожидает прерывание. SEM Поток ожидает захват семафора.

Важно помнить о том, что когда поток блокирован, независимо от состояния блокировки, он не потребляет ресурсы процессора. Наоборот, единственным состоянием, в котором поток потребляет ресурсы процессора, является состояние выполнения (RUNNING).

Мы рассмотрим блокированные состояния SEND (блокировка по передаче), RECEIVE (блокировка по приему) и REPLY (блокировка по ответу) в главе «Обмен сообщениями». Состояние NANOSLEEP связано с применением функций типа sleep(), которые мы рассмотрим в главе «Часы, таймеры и периодические уведомления». Состояние INTR связано с использованием функции InterruptWait(), которую мы изучим в главе «Прерывания». Большинство всех прочих состояний обсуждается в данной главе.

Процессы и потоки

Вернемся к нашим рассуждениям о потоках и процессах, но на сей раз с точки зрения перспективы их применения в системах реального времени. Затем мы рассмотрим вызовы функций, которые применяются при работе с потоками и процессами.

Мы знаем, что процесс может содержать один или больше потоков. (Процесс с нулевым числом потоков не был бы способен что-либо делать: если в доме никого нет, выполнять какую-либо полезную работу просто некому.) В операционной системе QNX/Neutrino допускается один или более процессов. (Аналогично — QNX/Neutrino с нулевым количеством процессов просто не сможет ничего сделать.)

Что же делают все эти процессы и потоки? В конечном счете, они формируют систему — собрание потоков и процессов, реализующих определенную цель.

На самом высоком уровне абстракции система состоит из множества процессов. Каждый процесс ответственен за обеспечение служебных функций определенного характера, независимо от того, является ли он элементом файловой системы, драйвером дисплея, модулем сбора данных, модулем управления или чем-либо еще.

В пределах каждого процесса может быть множество потоков. Число потоков варьируется. Один разработчик ПО, используя только единственный поток, может реализовать те же самые функциональные возможности, что и другой, использующий пять потоков. Некоторые задачи сами по себе приводят к многопоточности и дают относительно простые решения, другие в силу своей природы, являются однопоточными, и свести их к многопоточной реализации достаточно трудно.

Проблемы разработки ПО с применением потоков могли легко стать темой отдельной книги. Здесь же мы изложим только основы этой проблемы.

Почему процессы?

Почему же не взять просто один процесс с множеством потоков? В то время как некоторые операционные системы вынуждают вас программировать только в таком варианте, возникает ряд преимуществ при разделении объектов на множество процессов.

К таким преимуществам относятся:

• возможность декомпозиции задачи и модульной организации решения;

• удобство сопровождения;

• надежность.

Концепция разделения задачи на части, т.е., на несколько независимых задач, является очень мощной. И именно такая концепция лежит в основе QNX/Neutrino. Операционная система QNX/Neutrino состоит из множества независимых модулей, каждый из которых наделен некоторой зоной ответственности. Эти модули независимы и реализованы в отдельных процессах. Разработчики из QSSL использовали эту удобную особенность для отдельной разработки модулей, независимых друг от друга. Единственная возможная установить зависимость этих модулей друг от друга — наладить между ними информационную связь с помощью небольшого количества строго определенных интерфейсов.

Это естественно ведет к упрощению сопровождения программных продуктов, благодаря незначительному числу взаимосвязей. Поскольку каждый модуль четко определен, и устранять неисправности в одном таком модуле будет гораздо проще — тем более, что он не связан с другими.

Тем не менее, наиболее важным моментом является надежность. Процесс, точно так же, как и жилой дом, имеет некоторые четкие «границы». Человек, живущий в доме, точно знает, когда он в доме, а когда — нет. Поток наделен в этом смысле пониманием, что если у него есть доступ к памяти в пределах процесса, он может функционировать. Если он переступит границы адресного пространства процесса, он будет уничтожен. Это означает, что два потока, работающие в различных процессах, изолированы один от другого.

Защита памяти.

Адресные пространства процессов устанавливаются и поддерживаются модулем администратора процессов QNX/ Neutrino. При запуске процесса администратор процессов распределяет ему некоторый объем памяти и активирует его потоки. Отведенная данному процессу память помечается как принадлежащая ему.

Это означает, что если в данном процессе имеются есть несколько потоков, и ядру необходимо переключить контекст между ними, это можно сделать очень эффективно, поскольку не нужно изменять адресное пространство, достаточно просто сменить рабочий поток. Если, однако, мы должны переключиться на другой поток в другом процессе, тут уже включается в работу администратор процессов и переключает адресное пространство. Пусть вас не беспокоят возникающие при этом дополнительные издержки — под управлением QNX/Neutrino все это осуществляется очень быстро.