1.3　線程的三要素、四種狀態及三種基本形式

線程是完成一定功能的函數，但不是所有的函數都可以被稱為線程。一個函數只有在給出其線程描述符及線程堆棧的情況下，才可以被稱為線程，才能夠被調度運行。本節先介紹線程的三要素（線程函數、線程堆棧和線程描述符），然后介紹線程的四種狀態（終止態、阻塞態、就緒態和激活態），最后介紹線程的三種基本形式（單次執行、周期執行和資源驅動）。

1.3.1　線程的三要素

從線程的存儲結構上看，線程由線程函數、線程堆棧和線程描述符三個部分組成，這三個組成部分也稱為線程的三要素。線程函數就是線程要完成具體功能的程序；每個線程擁有自己獨立的線程堆棧空間，用于保存線程在調度時的上下文信息及線程內部使用的局部變量；線程描述符是關聯線程屬性的程序控制塊，用于記錄線程的各個屬性。

1.線程函數

一個線程對應一段函數代碼，完成一定功能，可被稱為線程函數。從代碼上看，線程函數與一般函數并無區別，被編譯鏈接生成機器碼之后，一般存儲在Flash中。但是從線程自身視角來看，線程認為CPU就是屬于它自己的，并不知道還有其他線程存在。線程函數也不是用來被其他函數直接調用的，而是由實時操作系統內核調度運行的。要使線程函數能夠被實時操作系統內核調度運行，必須先登記線程函數，設置線程優先級、堆棧大小，給線程編號等，不然當運行多個線程時，實時操作系統內核無法知道先運行哪個線程。由于任何時刻只能有一個線程在運行（處于激活態），因此當實時操作系統內核通過調度使一個線程運行時，之前運行的線程就會退出激活態。CPU被處于激活態的線程獨占，從這個角度來看，線程函數與無操作系統中的“main”函數性質相近，一般被設計為永久循環，認為線程一直在執行，永遠獨占處理器。但也有一些特殊性，這將在第7章中討論。

2.線程堆棧

線程堆棧是獨立于線程函數之外的RAM，是按照先進后出策略組織的一段連續存儲空間，是實時操作系統中線程概念的重要組成部分。在實時操作系統中，每個線程都有自己私有的堆棧空間。在線程的運行過程中，堆棧用于保存線程的上下文、線程運行過程中的局部變量。此外，當線程調用普通函數時，它還會為線程保存返回地址等參數變量。

雖然前面已經簡要描述過線程的上下文的概念，但是這里還要多說幾句，以便對線程堆棧用于保存線程上下文有充分的認識。在多線程系統中，每個線程都認為CPU寄存器是自己的。當一個線程正在運行，實時操作系統內核決定不讓該線程繼續運行，而轉去運行別的線程時，就要把CPU的當前狀態保存在屬于該線程的線程堆棧中；當實時操作系統內核再次決定讓其運行時，就從該線程的線程堆棧中恢復原來的CPU狀態，就像未被暫停過一樣。

在系統資源充裕的情況下，可分配盡量多的堆棧空間，可以是K數量級的（如常用1024字節），但若是系統資源受限，就得精打細算了，具體的數值要根據線程的執行內容確定。線程堆棧的組織及使用由系統維護，對于用戶而言，只要在創建線程時指定其大小即可。

3.線程描述符

在創建線程時，系統會為每個線程創建一個唯一的線程描述符（Task Descriptor，TD），它相當于線程在實時操作系統中的“身份證”，實時操作系統就是通過線程描述符來管理線程和查詢線程信息的。雖然在不同操作系統中，線程描述符的名稱不同，但含義相同，例如在Mbed OS中被稱為線程控制塊（Thread Control Block，TCB），在μC/OS中被稱任務控制塊（Task Control Block，TCB），在Linux中被稱為進程控制塊（Process Control Block，PCB）。線程函數只有配備了線程描述符才能被實時操作系統內核調度，未配備線程描述符、駐留在Flash中的線程函數代碼只是通常意義上的函數，不會被實時操作系統內核調度。

多個線程的線程描述符被組成鏈表，存儲在RAM中。每個線程描述符中都包含指向前一個節點的指針、指向后一個節點的指針、線程狀態、線程優先級、線程堆棧指針、線程函數指針（指向線程函數）等字段，實時操作系統內核通過線程描述符來執行線程。

在實時操作系統中，一般情況下使用列表來維護線程描述符，使用就緒列表管理就緒的線程，使用延時列表管理延時等待的線程，使用條件阻塞列表管理因等待事件、消息等而阻塞的線程。在Mbed OS中，還提供了一個等待列表來管理因等待事件、消息等而阻塞的線程。當實時操作系統內核調度線程時，可以通過就緒列表的頭節點查找鏈表，獲取就緒列表上所有線程描述符的信息。

1.3.2　線程的四種狀態

實時操作系統中的線程一般有四種狀態，分別為終止態、阻塞態、就緒態和激活態。在任一時刻，線程被創建后所處的狀態一定是以上四種狀態之一。

1.線程狀態的基本含義

（1）終止態（Terminated，Inactive）：線程執行已經完成或被刪除，不再需要使用CPU。

（2）阻塞態（Blocked）：又可稱為掛起態。線程未準備好，不能被激活，因為該線程需要等待一段時間或某些情況發生；當等待時間到或等待的情況發生時，該線程才變為就緒態。處于阻塞態的線程描述符存放于阻塞列表或延時列表中。

（3）就緒態（Ready）：線程已經準備好可以被激活，但未進入激活態，因為其優先級等于或低于當前正在運行的線程，一旦獲取CPU的使用權就可以進入激活態。處于就緒態的線程描述符存放于就緒列表中。

（4）激活態（Active，Running）：又稱為運行態，該線程正在運行中，線程擁有CPU使用權。

如果一個激活態的線程變為阻塞態，那么實時操作系統將執行線程切換操作，從就緒列表中選擇優先級最高的線程進入激活態，若有多個具有相同優先級的線程處于就緒態，則就緒列表中的首個線程先被激活。也就是說，每個就緒列表中相同優先級的線程是按先進先出（First In First Out，FIFO）的策略進行調度的。

在一些操作系統中，還把線程分為中斷態和休眠態。對于被中斷的線程，實時操作系統把它歸為中斷態；休眠態是指該線程的相關資源雖然仍駐留在內存中，但不被實時操作系統內核調度的一種狀態，其實它就是一種終止的狀態。

2.線程狀態之間的轉換

實時操作系統線程的四種狀態是動態轉換的，有的情況是由系統調度自動完成的，有的情況是由用戶調用某個系統函數完成的，還有的情況是等待某個條件滿足后完成的。線程的四種狀態轉換關系圖如圖1-1所示。

1）終止態轉為就緒態

終止態轉為就緒態（圖1-1中的①線）：線程準備重新運行，根據線程優先級進入就緒態。例如，在Mbed OS中，調用svcRtxThreadNew（）函數再次創建線程。

2）阻塞態轉為就緒態、終止態

阻塞態轉為就緒態（圖1-1中的②線）：阻塞條件被解除，如中斷服務程序或其他線程運行時釋放了線程等待的信號量，從而使線程再次進入就緒態；延時列表中的線程延時到達喚醒的時刻。例如，在Mbed OS中，會自動調用svcRtxThreadResume（）函數。

阻塞態轉為終止態（圖1-1中的⑥線）：如在Mbed OS中，調用svcRtxThreadTerminate（）函數。

3）就緒態轉為激活態、終止態

就緒態轉為激活態（圖1-1中的③線）：就緒線程被調度而獲得了CPU資源進入運行；也可以直接調用函數進入激活態。例如，在Mbed OS中，調用svcRtxThreadYield（）函數。

就緒態轉為終止態（圖1-1中的⑧線）：如在Mbed OS中，調用svcRtxThreadTerminate（）函數。

4）激活態轉為就緒態、阻塞態、終止態

激活態轉為就緒態（圖1-1中的④線）：正在執行的線程被高優先級線程搶占后進入就緒列表；或使用時間片輪詢調度策略時，時間片耗盡，正在執行的線程讓出CPU；或被外部事件中斷。

激活態轉為阻塞態（圖1-1中的⑤線）：正在執行的線程等待信號量、等待事件或者等待I/O資源等，如在Mbed OS中，調用svcRtxThreadSuspend（）函數。

激活態轉為終止態（圖1-1中的⑦線）：如在Mbed OS中，調用svcRtxThreadExit（）函數。

1.3.3　線程的三種基本形式

線程函數一般分為兩個部分：初始化部分和線程體部分。初始化部分實現對變量的定義、初始化及設備的打開等，線程體部分負責完成該線程的基本功能。線程的一般結構如下：

線程的基本形式主要有單次執行線程、周期執行線程和資源驅動線程三種，下面介紹這三種線程的結構特點。

1.單次執行線程

單次執行線程是指線程在創建完之后只會被執行一次，執行完成后就會被銷毀或阻塞的線程。其線程函數結構如下：

單次執行線程由三部分組成：線程函數初始化、線程函數執行和線程函數銷毀或阻塞。線程函數初始化包括對變量的定義和賦值、打開需要使用的設備等；線程函數的執行是該線程的基本功能實現；線程函數的銷毀或阻塞，即調用線程銷毀或阻塞函數將自己從線程列表中刪除。銷毀與阻塞的區別在于銷毀除了停止線程的運行，還將回收該線程所占用的所有資源，如堆棧空間等；而阻塞只是將線程描述符中的狀態設置為阻塞態而已。舉例來說，在水質監測系統中，主線程需要創建傳感器采集數據線程和處理線程，需要對小燈、串口、傳感器等外設進行初始化，當啟動完傳感器采集數據線程和處理線程后，就阻塞主線程，然后實時操作系統內核開始線程調度，此時的主線程就是單次執行線程。

2.周期執行線程

周期執行線程是指需要按照一定周期執行的線程。其線程函數結構如下：

初始化部分同單次執行線程一樣，包括對變量的定義和賦值、打開需要使用的設備等。與單次執行線程不同的是，周期執行線程的函數體內存在永久循環部分，由于該線程需要按照一定周期執行，因此在該線程內一般會調用延時函數，使線程轉入阻塞態，進入延時列表中。當延時時間到時，線程就會轉入就緒態，進入就緒列表中。舉例來說，在水質監測系統中，我們需要得到被監測水域的酸堿度和各種離子的濃度，但是不需要時時刻刻都在監測數據，因為這些物理量的變化比較緩慢，所以使用傳感器采集數據時可以調用延時函數，每隔半個小時采集一次數據，此時的物理量采集線程就是典型的周期執行線程。

3.資源驅動線程

除了上面介紹的兩種線程類型，還有一種線程形式，那就是資源驅動線程。這里的資源主要指線程同步與通信中的事件、信號量、互斥量等。這種類型的線程比較特殊，它是操作系統特有的線程類型，因為只有在操作系統下才會出現資源共享使用的問題，同時引出操作系統中另一個主要問題，那就是線程同步與通信。該線程與周期執行線程的區別在于它的執行時間不是確定的，只有當它所要等待的資源可用時，它才會轉入就緒態，否則被加入等待該資源的阻塞列表中。資源驅動線程的函數結構如下：

初始化部分和線程體部分與之前兩種類型的線程類似，主要區別就是在線程體執行之前會調用等待資源函數，以等待資源實現線程體部分的功能。仍以水質監測系統為例，數據處理是在物理量采集完成后才能進行的操作，所以在系統中使用一個信號量用于兩個線程之間的同步，當物理量采集線程完成時就會釋放這個信號量，而數據處理線程一直在等待這個信號量，當等到這個信號量時，就可以進行下一步的操作。系統中的數據處理線程就是一個典型的資源驅動線程。

以上就是三種線程基本形式的介紹，其中周期執行線程和資源驅動線程從本質上來講可以歸結為一種，也就是資源驅動線程。因為時間也是操作系統的一種資源，只不過時間是一種特殊的資源，特殊在該資源是整個操作系統的實現基礎，系統中大部分函數都是基于時間這一資源的，所以在分類中將周期執行線程單獨作為一類。