问协作式多任务系统

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在单个进程(或执行线程)使用协作多任务的特定场景中，可以使用Windows的fibers或POSIX setcontext系列函数。在这里，我将使用术语纤程。

基本上，当一个纤程执行完一个工作块并希望自愿允许其他纤程运行时(因此称为“协作”术语)，它或者手动切换到另一个纤程的上下文，或者更典型的情况是，它执行某种跳到调度器的上下文中的输出()或调度器()调用，然后调度器找到一个新的纤程运行并切换到该纤程的上下文。

我们这里所说的上下文是什么意思？基本上是堆栈和寄存器。堆栈没有什么神奇之处，它只是堆栈指针碰巧指向的一个内存块。程序计数器也没有什么神奇之处，它只是指向要执行的下一条指令。切换上下文只是将当前寄存器保存在某个地方，将堆栈指针更改为不同的内存块，将程序计数器更新为不同的指令流，将该上下文保存的寄存器复制到CPU中，然后进行跳转。Bam，您现在正在使用不同的堆栈执行不同的指令。通常，上下文切换代码是用汇编语言编写的，调用的方式不会修改当前堆栈，或者它会取消更改，在这两种情况下，都不会在堆栈或寄存器中留下任何痕迹，因此当代码恢复执行时，它不知道发生了什么事情。(同样，主题:我们假设方法调用寄存器、将参数推送到堆栈、移动堆栈指针等，但这只是C调用约定。根本不需要维护堆栈，或者让任何特定的方法调用在堆栈上留下任何自身的痕迹)。

因为每个堆栈都是独立的，所以您不会有一些看似随机的方法调用的连续链最终溢出堆栈(如果您天真地尝试使用标准C方法来实现这种方案，则可能会出现这种情况)。您可以使用状态机手动实现这一点，在状态机中，每个纤程都保存其工作位置的状态机，并定期返回调用分派器的方法，但是当实际的纤程/协同例程支持广泛可用时，为什么还要费心呢？

还要记住，协作多任务与进程、受保护的内存、地址空间等是正交的。他们支持独立进程的想法。但是当您让步时，上下文被更改为OS上下文，允许OS调度程序运行，然后可能选择另一个进程进行切换。从理论上讲，您可以拥有一个完全受保护的虚拟内存操作系统，它仍然使用协作多任务。在这些系统中，如果错误的进程从未让步，则操作系统调度程序将永远不会运行，因此系统中的所有其他进程都会被冻结。**

下一个自然的问题是什么让事情变得先发制人..。答案是，OS使用CPU调度一个中断计时器，以停止当前正在执行的任务，并切换回OS调度程序的上下文，而不管当前任务是否关心释放CPU，从而“抢占”它。如果操作系统使用CPU特权级别，(内核配置的)计时器不能被较低级别的(用户模式)代码取消，尽管在理论上，如果操作系统没有使用这样的保护，错误的任务可能会屏蔽或取消中断计时器并劫持CPU。还有一些其他场景，比如IO调用，调度器可以在计时器之外调用，调度器可以决定没有其他进程具有更高的优先级，并在没有切换的情况下将控制权返回给相同的进程...实际上，大多数OSes不会在这里进行真正的上下文切换，因为这样做代价很高，调度器代码在任何正在执行的进程的上下文中运行，所以它必须非常小心，不要跨入堆栈，保存寄存器状态等。

**你可能会问，如果在一段时间内没有调用yield，为什么不直接触发计时器呢？答案在于多线程同步。在合作系统中，您不必费心获取锁，不必担心重新进入等，因为只有当事物处于已知的良好状态时才会让步。如果这个虚构的计时器触发，您现在可能已经破坏了被中断的程序的状态。如果必须编写程序来处理此问题，恭喜...您现在拥有了一个半途而废的抢占式多任务系统。干脆把它做对吧！如果你想改变一些东西，不妨添加一些线程、受保护的内存等等。这就是主要OSes的历史。

协作多任务背后的基本思想是信任--每个子任务将以及时的方式自动放弃控制，以避免让其他任务耗费大量的处理器时间。这就是为什么协作多任务系统中的任务需要进行非常彻底的测试，在某些情况下还需要进行使用认证。

我不自称是专家，但我想协作任务可以作为状态机实现，在状态机中，将控制权传递给任务将导致它运行绝对最小的时间，以取得任何类型的进展。例如，文件读取器可能读取文件的下几个字节，解析器可能解析文档的下一行，或者传感器控制器可能只读取一次，然后将控制权返回给协作调度器，后者将检查任务是否完成。

每个任务必须将其内部状态保持在堆上(在对象级别)，而不是像传统的阻塞函数或线程那样在堆栈框架上(在函数级别)。

与依赖硬件定时器触发上下文切换的传统多任务不同，协作式多任务依赖于以这样一种方式编写的代码，即保证每个长时间运行任务的每个步骤在可接受的较小时间内完成。

这些任务将执行显式的等待、暂停或让出操作，从而调用调度程序。在繁重的计算中，可能存在等待IO完成或显式让步的不同操作。在应用程序任务的主循环中，它可能有一个*wait_for_event*调用，而不是繁忙的轮询。这将挂起任务，直到它有要处理的输入。

还可能存在用于捕获失控任务的超时机制，但它不是切换的主要方式(否则它将不是协作的)。