2、进程、线程、中断的核心：栈
1 进程、线程、中断的核心：栈
中断中断，中断谁？
中断当前正在运行的进程、线程。
进程、线程是什么？内核如何切换进程、线程、中断？
要理解这些概念，必须理解栈的作用。
1.1 ARM处理器程序运行的过程
ARM芯片属于精简指令集计算机(RISC：Reduced Instruction Set Computing)，它所用的指令比较简单，有如下特点：
① 对内存只有读、写指令
② 对于数据的运算是在CPU内部实现
③ 使用RISC指令的CPU复杂度小一点，易于设计
比如对于a=a+b这样的算式，需要经过下面4个步骤才可以实现：
细看这几个步骤，有些疑问：
① 读a，那么a的值读出来后保存在CPU里面哪里？
② 读b，那么b的值读出来后保存在CPU里面哪里？
③ a+b的结果又保存在哪里？
我们需要深入ARM处理器的内部。简单概括如下，我们先忽略各种CPU模式(系统模式、用户模式等等)。
注意：如果想入理解ARM处理器架构，应该从裸机开始学习。我们即将写好近30个裸机程序的文档，估计还3月底发布。
注意：为了加快学习速度，建议先不看裸机。
CPU运行时，先去取得指令，再执行指令：
① 把内存a的值读入CPU寄存器R0
② 把内存b的值读入CPU寄存器R1
③ 把R0、R1累加，存入R0
④ 把R0的值写入内存a
1.2程序被中断时，怎么保存现场
从上图可知，CPU内部的寄存器很重要，如果要暂停一个程序，中断一个程序，就需要把这些寄存器的值保存下来：这就称为保存现场。
保存在哪里？内存，这块内存就称之为栈。
程序要继续执行，就先从栈中恢复那些CPU内部寄存器的值。
这个场景并不局限于中断，下图可以概括程序A、B的切换过程，其他情况是类似的：
a. 函数调用：
在函数A里调用函数B，实际就是中断函数A的执行。
那么需要把函数A调用B之前瞬间的CPU寄存器的值，保存到栈里；
再去执行函数B；
函数B返回之后，就从栈中恢复函数A对应的CPU寄存器值，继续执行。
b. 中断处理
进程A正在执行，这时候发生了中断。
CPU强制跳到中断异常向量地址去执行，
这时就需要保存进程A被中断瞬间的CPU寄存器值，
可以保存在进程A的内核态栈，也可以保存在进程A的内核结构体中。
中断处理完毕，要继续运行进程A之前，恢复这些值。
c. 进程切换
在所谓的多任务操作系统中，我们以为多个程序是同时运行的。
如果我们能感知微秒、纳秒级的事件，可以发现操作系统时让这些程序依次执行一小段时间，进程A的时间用完了，就切换到进程B。
怎么切换？
切换过程是发生在内核态里的，跟中断的处理类似。
进程A的被切换瞬间的CPU寄存器值保存在某个地方；
恢复进程B之前保存的CPU寄存器值，这样就可以运行进程B了。
所以，在中断处理的过程中，伴存着进程的保存现场、恢复现场。
进程的调度也是使用栈来保存、恢复现场：
1.3进程、线程的概念
假设我们写一个音乐播放器，在播放音乐的同时会根据按键选择下一首歌。把事情简化为2件事：发送音频数据、读取按键。那可以这样写程序：
int main(int argc, char **argv)
{
int key;
while (1)
{
key = read_key();
if (key != -1)
{
switch (key)
{
case NEXT:
select_next_music(); // 在GUI选中下一首歌
break;
}
}
else
{
send_music();
}
}
return 0;
}
这个程序只有一条主线，读按键、播放音乐都是顺序执行。
无论按键是否被按下，read_key函数必须马上返回，否则会使得后续的send_music受到阻滞导致音乐播放不流畅。
读取按键、播放音乐能否分为两个程序进行？可以，但是开销太大：读按键的程序，要把按键通知播放音乐的程序，进程间通信的效率没那么高。
这时可以用多线程之编程，读取按键是一个线程，播放音乐是另一个线程，它们之间可以通过全局变量传递数据，示意代码如下：
int g_key;
void key_thread_fn()
{
while (1)
{
g_key = read_key();
if (g_key != -1)
{
switch (g_key)
{
case NEXT:
select_next_music(); // 在GUI选中下一首歌
break;
}
}
}
}
void music_fn()
{
while (1)
{
if (g_key == STOP)
stop_music();
else
{
send_music();
}
}
}
int main(int argc, char **argv)
{
int key;
create_thread(key_thread_fn);
create_thread(music_fn);
while (1)
{
sleep(10);
}
return 0;
}
这样，按键的读取及GUI显示、音乐的播放，可以分开来，不必混杂在一起。
按键线程可以使用阻塞方式读取按键，无按键时是休眠的，这可以节省CPU资源。
音乐线程专注于音乐的播放和控制，不用理会按键的具体读取工作。
并且这2个线程通过全局变量g_key传递数据，高效而简单。
在Linux中：资源分配的单位是进程，调度的单位是线程。
也就是说，在一个进程里，可能有多个线程，这些线程共用打开的文件句柄、全局变量等等。
而这些线程，之间是互相独立的，“同时运行”，也就是说：每一个线程，都有自己的栈。如下图示：
调度的单位是线程，这是因为线程是操作系统中进行运算调度和执行的基本单位。线程被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位，一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流。一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。线程可以是内核线程，由操作系统内核调度，也可以是用户线程，由用户进程自行调度，或者是内核与用户进程混合调度。
线程与进程的区别和联系在于：
- 进程是资源分配的基本单位，每个进程都有独立的内存空间（虚拟地址空间），而线程则共享所属进程的虚拟地址空间。
- 线程不能独立于进程而存在，一个进程里可以有一个线程，也可以有多个线程。
- 线程的引入显著提高了系统的并发程度，使得在同一进程中多个线程的切换不会引起进程切换，从而提高了系统资源的使用效率和吞吐量。
- 线程基本上不拥有资源，但它可以访问其所属进程的全部资源，如代码段、数据段及系统资源。
- 创建或撤销线程的开销远小于创建或撤销进程的开销，因为线程切换不需要涉及存储管理的操作，而进程切换则需要保存和恢复执行环境，开销较大。
因此，将调度的单位定为线程，可以更有效地利用系统资源，提高系统的并发性和效率
