1.3　线程的三要素、四种状态及三种基本形式

线程是完成一定功能的函数，但不是所有的函数都可以被称为线程。一个函数只有在给出其线程描述符及线程堆栈的情况下，才可以被称为线程，才能够被调度运行。本节先介绍线程的三要素（线程函数、线程堆栈和线程描述符），然后介绍线程的四种状态（终止态、阻塞态、就绪态和激活态），最后介绍线程的三种基本形式（单次执行、周期执行和资源驱动）。

1.3.1　线程的三要素

从线程的存储结构上看，线程由线程函数、线程堆栈和线程描述符三个部分组成，这三个组成部分也称为线程的三要素。线程函数就是线程要完成具体功能的程序；每个线程拥有自己独立的线程堆栈空间，用于保存线程在调度时的上下文信息及线程内部使用的局部变量；线程描述符是关联线程属性的程序控制块，用于记录线程的各个属性。

1.线程函数

一个线程对应一段函数代码，完成一定功能，可被称为线程函数。从代码上看，线程函数与一般函数并无区别，被编译链接生成机器码之后，一般存储在Flash中。但是从线程自身视角来看，线程认为CPU就是属于它自己的，并不知道还有其他线程存在。线程函数也不是用来被其他函数直接调用的，而是由实时操作系统内核调度运行的。要使线程函数能够被实时操作系统内核调度运行，必须先登记线程函数，设置线程优先级、堆栈大小，给线程编号等，不然当运行多个线程时，实时操作系统内核无法知道先运行哪个线程。由于任何时刻只能有一个线程在运行（处于激活态），因此当实时操作系统内核通过调度使一个线程运行时，之前运行的线程就会退出激活态。CPU被处于激活态的线程独占，从这个角度来看，线程函数与无操作系统中的“main”函数性质相近，一般被设计为永久循环，认为线程一直在执行，永远独占处理器。但也有一些特殊性，这将在第7章中讨论。

2.线程堆栈

线程堆栈是独立于线程函数之外的RAM，是按照先进后出策略组织的一段连续存储空间，是实时操作系统中线程概念的重要组成部分。在实时操作系统中，每个线程都有自己私有的堆栈空间。在线程的运行过程中，堆栈用于保存线程的上下文、线程运行过程中的局部变量。此外，当线程调用普通函数时，它还会为线程保存返回地址等参数变量。

虽然前面已经简要描述过线程的上下文的概念，但是这里还要多说几句，以便对线程堆栈用于保存线程上下文有充分的认识。在多线程系统中，每个线程都认为CPU寄存器是自己的。当一个线程正在运行，实时操作系统内核决定不让该线程继续运行，而转去运行别的线程时，就要把CPU的当前状态保存在属于该线程的线程堆栈中；当实时操作系统内核再次决定让其运行时，就从该线程的线程堆栈中恢复原来的CPU状态，就像未被暂停过一样。

在系统资源充裕的情况下，可分配尽量多的堆栈空间，可以是K数量级的（如常用1024字节），但若是系统资源受限，就得精打细算了，具体的数值要根据线程的执行内容确定。线程堆栈的组织及使用由系统维护，对于用户而言，只要在创建线程时指定其大小即可。

3.线程描述符

在创建线程时，系统会为每个线程创建一个唯一的线程描述符（Task Descriptor，TD），它相当于线程在实时操作系统中的“身份证”，实时操作系统就是通过线程描述符来管理线程和查询线程信息的。虽然在不同操作系统中，线程描述符的名称不同，但含义相同，例如在Mbed OS中被称为线程控制块（Thread Control Block，TCB），在μC/OS中被称任务控制块（Task Control Block，TCB），在Linux中被称为进程控制块（Process Control Block，PCB）。线程函数只有配备了线程描述符才能被实时操作系统内核调度，未配备线程描述符、驻留在Flash中的线程函数代码只是通常意义上的函数，不会被实时操作系统内核调度。

多个线程的线程描述符被组成链表，存储在RAM中。每个线程描述符中都包含指向前一个节点的指针、指向后一个节点的指针、线程状态、线程优先级、线程堆栈指针、线程函数指针（指向线程函数）等字段，实时操作系统内核通过线程描述符来执行线程。

在实时操作系统中，一般情况下使用列表来维护线程描述符，使用就绪列表管理就绪的线程，使用延时列表管理延时等待的线程，使用条件阻塞列表管理因等待事件、消息等而阻塞的线程。在Mbed OS中，还提供了一个等待列表来管理因等待事件、消息等而阻塞的线程。当实时操作系统内核调度线程时，可以通过就绪列表的头节点查找链表，获取就绪列表上所有线程描述符的信息。

1.3.2　线程的四种状态

实时操作系统中的线程一般有四种状态，分别为终止态、阻塞态、就绪态和激活态。在任一时刻，线程被创建后所处的状态一定是以上四种状态之一。

1.线程状态的基本含义

（1）终止态（Terminated，Inactive）：线程执行已经完成或被删除，不再需要使用CPU。

（2）阻塞态（Blocked）：又可称为挂起态。线程未准备好，不能被激活，因为该线程需要等待一段时间或某些情况发生；当等待时间到或等待的情况发生时，该线程才变为就绪态。处于阻塞态的线程描述符存放于阻塞列表或延时列表中。

（3）就绪态（Ready）：线程已经准备好可以被激活，但未进入激活态，因为其优先级等于或低于当前正在运行的线程，一旦获取CPU的使用权就可以进入激活态。处于就绪态的线程描述符存放于就绪列表中。

（4）激活态（Active，Running）：又称为运行态，该线程正在运行中，线程拥有CPU使用权。

如果一个激活态的线程变为阻塞态，那么实时操作系统将执行线程切换操作，从就绪列表中选择优先级最高的线程进入激活态，若有多个具有相同优先级的线程处于就绪态，则就绪列表中的首个线程先被激活。也就是说，每个就绪列表中相同优先级的线程是按先进先出（First In First Out，FIFO）的策略进行调度的。

在一些操作系统中，还把线程分为中断态和休眠态。对于被中断的线程，实时操作系统把它归为中断态；休眠态是指该线程的相关资源虽然仍驻留在内存中，但不被实时操作系统内核调度的一种状态，其实它就是一种终止的状态。

2.线程状态之间的转换

实时操作系统线程的四种状态是动态转换的，有的情况是由系统调度自动完成的，有的情况是由用户调用某个系统函数完成的，还有的情况是等待某个条件满足后完成的。线程的四种状态转换关系图如图1-1所示。

1）终止态转为就绪态

终止态转为就绪态（图1-1中的①线）：线程准备重新运行，根据线程优先级进入就绪态。例如，在Mbed OS中，调用svcRtxThreadNew（）函数再次创建线程。

2）阻塞态转为就绪态、终止态

阻塞态转为就绪态（图1-1中的②线）：阻塞条件被解除，如中断服务程序或其他线程运行时释放了线程等待的信号量，从而使线程再次进入就绪态；延时列表中的线程延时到达唤醒的时刻。例如，在Mbed OS中，会自动调用svcRtxThreadResume（）函数。

阻塞态转为终止态（图1-1中的⑥线）：如在Mbed OS中，调用svcRtxThreadTerminate（）函数。

3）就绪态转为激活态、终止态

就绪态转为激活态（图1-1中的③线）：就绪线程被调度而获得了CPU资源进入运行；也可以直接调用函数进入激活态。例如，在Mbed OS中，调用svcRtxThreadYield（）函数。

就绪态转为终止态（图1-1中的⑧线）：如在Mbed OS中，调用svcRtxThreadTerminate（）函数。

4）激活态转为就绪态、阻塞态、终止态

激活态转为就绪态（图1-1中的④线）：正在执行的线程被高优先级线程抢占后进入就绪列表；或使用时间片轮询调度策略时，时间片耗尽，正在执行的线程让出CPU；或被外部事件中断。

激活态转为阻塞态（图1-1中的⑤线）：正在执行的线程等待信号量、等待事件或者等待I/O资源等，如在Mbed OS中，调用svcRtxThreadSuspend（）函数。

激活态转为终止态（图1-1中的⑦线）：如在Mbed OS中，调用svcRtxThreadExit（）函数。

1.3.3　线程的三种基本形式

线程函数一般分为两个部分：初始化部分和线程体部分。初始化部分实现对变量的定义、初始化及设备的打开等，线程体部分负责完成该线程的基本功能。线程的一般结构如下：

线程的基本形式主要有单次执行线程、周期执行线程和资源驱动线程三种，下面介绍这三种线程的结构特点。

1.单次执行线程

单次执行线程是指线程在创建完之后只会被执行一次，执行完成后就会被销毁或阻塞的线程。其线程函数结构如下：

单次执行线程由三部分组成：线程函数初始化、线程函数执行和线程函数销毁或阻塞。线程函数初始化包括对变量的定义和赋值、打开需要使用的设备等；线程函数的执行是该线程的基本功能实现；线程函数的销毁或阻塞，即调用线程销毁或阻塞函数将自己从线程列表中删除。销毁与阻塞的区别在于销毁除了停止线程的运行，还将回收该线程所占用的所有资源，如堆栈空间等；而阻塞只是将线程描述符中的状态设置为阻塞态而已。举例来说，在水质监测系统中，主线程需要创建传感器采集数据线程和处理线程，需要对小灯、串口、传感器等外设进行初始化，当启动完传感器采集数据线程和处理线程后，就阻塞主线程，然后实时操作系统内核开始线程调度，此时的主线程就是单次执行线程。

2.周期执行线程

周期执行线程是指需要按照一定周期执行的线程。其线程函数结构如下：

初始化部分同单次执行线程一样，包括对变量的定义和赋值、打开需要使用的设备等。与单次执行线程不同的是，周期执行线程的函数体内存在永久循环部分，由于该线程需要按照一定周期执行，因此在该线程内一般会调用延时函数，使线程转入阻塞态，进入延时列表中。当延时时间到时，线程就会转入就绪态，进入就绪列表中。举例来说，在水质监测系统中，我们需要得到被监测水域的酸碱度和各种离子的浓度，但是不需要时时刻刻都在监测数据，因为这些物理量的变化比较缓慢，所以使用传感器采集数据时可以调用延时函数，每隔半个小时采集一次数据，此时的物理量采集线程就是典型的周期执行线程。

3.资源驱动线程

除了上面介绍的两种线程类型，还有一种线程形式，那就是资源驱动线程。这里的资源主要指线程同步与通信中的事件、信号量、互斥量等。这种类型的线程比较特殊，它是操作系统特有的线程类型，因为只有在操作系统下才会出现资源共享使用的问题，同时引出操作系统中另一个主要问题，那就是线程同步与通信。该线程与周期执行线程的区别在于它的执行时间不是确定的，只有当它所要等待的资源可用时，它才会转入就绪态，否则被加入等待该资源的阻塞列表中。资源驱动线程的函数结构如下：

初始化部分和线程体部分与之前两种类型的线程类似，主要区别就是在线程体执行之前会调用等待资源函数，以等待资源实现线程体部分的功能。仍以水质监测系统为例，数据处理是在物理量采集完成后才能进行的操作，所以在系统中使用一个信号量用于两个线程之间的同步，当物理量采集线程完成时就会释放这个信号量，而数据处理线程一直在等待这个信号量，当等到这个信号量时，就可以进行下一步的操作。系统中的数据处理线程就是一个典型的资源驱动线程。

以上就是三种线程基本形式的介绍，其中周期执行线程和资源驱动线程从本质上来讲可以归结为一种，也就是资源驱动线程。因为时间也是操作系统的一种资源，只不过时间是一种特殊的资源，特殊在该资源是整个操作系统的实现基础，系统中大部分函数都是基于时间这一资源的，所以在分类中将周期执行线程单独作为一类。