DJYOS与传统操作系统编程模式比较之一

djyos

编程模式比较之一
1.        线程调度和事件调度的比较

(原文件名:调度模式比较.jpg)

传统的操作系统，是以线程为调度目标的，无论是简单的UCOSII，还是复杂的windows、linux，无论是单进程还是多进程的系统，调度器所调度的，都是线程。调度器的作用，简单地说，就是决定哪个线程、什么时候占有CPU、什么时候让出 CPU，如何决定由哪个线程占有CPU的方法很多，不同的操作系统都有自己的策略，这里暂且不提。
DJYOS的调度是以事件为目标的，调度器直接决定哪条事件应该被处理，在内核中，调度队列是事件队列，而不是线程队列。DJYOS提供的API，也全部是针对事件的，没有针对线程的。虽然DJYOS也有线程，但用户完全看不到，也且线程也不作为调度依据。
2.        两种编程模型对比
DJYOS的调度方式也传统调度方式上的差异，必然导致在DJYOS上编程和传统操作系统上编程模型的差异。传统方式下，程序员编写函数以处理需要计算机完成的任务，然后建立线程来运行这些函数，创建线程、启动线程、线程同步、线程暂停、线程休眠、线程终止、线程删除等操作，均由程序员亲自完成。在DJYOS下，认为计算机执行某一段程序，必定是发生了使计算机执行这段程序的事件，认为计算机的所有操作，均由事件引发。程序员所需要做的工作是，以适当的粒度定义事件类型，为各类型事件编写处理函数，并在需要的时候弹出事件，在必要的时候调用操作系统提供的事件同步功能。由此而导致了两种截然不同的编程模式，下面，我们通过不同场景的对照，来直观了解一下这两种编程方式。
2.1.        场景1
程序启动后即开始运行，直到程序终止运行的模块，例如通信口监视模块，它必须在整个生命周期内不间断地监视。
2.1.1.        传统操作系统
int thread_comm(int para)
{
    无限循环;
}
int main(void)
{
    创建线程；
    启动线程；
}
2.1.2.        DJYOS
int event_ comm (int para)
{
    无限循环;
}
int main(void)
{
    登记evtt_comm事件类型；
    弹出evtt_comm类型事件；
}
2.1.3.        点评
可以看到，这种场景下，两种编程方式看似没有区别。但实际上是有区别的，因为事件是直观的，与人类思维模式比较接近；线程是抽象的，与计算机的执行过程接近。越接近人类自然思维，就越容易学习和掌握，编程就越不容易出错。
现代计算机已经进入“ubiquitous/Pervasive Computing”时代，即普适计算。触手可及的计算产品里面也包含着触手可及的计算机程序，这些程序由大量的嵌入式程序员编写。设计这些产品需要大量的软件工程师，这使得嵌入式程序员的队伍迅速增大，新增的程序员，可能来自各行各业，他们原来在各自的行业中，可能都是非常了不起的专家，比如化工专家、医疗专家等。这些不同领域的专家，却未必是计算机领域的专家，让他们去掌握晦涩难懂的线程技术并灵活应用，恐怕要花费不少的人才培养成本，而使用传统的操作系统开发嵌入式产品，不理解这些复杂的概念根本就寸步难行。DJYOS操作系统不要求程序员操纵线程和进程，程序员只需把需要计算机处理的任务划分为一个个事件类型，并为各种不同类型的事件编写独立的事件处理函数，并且把它登记到系统中就可以了。当事件发生时，发现（检测到）该事件的模块只要告诉操作系统“某类型事件发生了”，不需要管劳什子的线程。从这个角度，DJYOS降低了程序员培训要求，客观地为企业节约了人力资源费用。
2.2.        场景2
如场景1的通信口监视模块，接收来自外部的请求，把接收到的请求交由另一个模块提供服务。为了确保通信口不丢数据包，thread_comm的优先级应该比服务模块高。
2.2.1.        传统操作系统
2.2.1.1.        方案1
int thread_comm(int para)
{
    while(1)
    {
        if（收到请求）
            唤醒thread_server线程 or 释放信号量;
        其他代码；
    }
}
int thread_server(int para)
{
    while(1)
    {
        提供收到的请求对应的服务;
        线程暂停 or 请求信号量；
    }
}
int main(void)
{
    创建thread_comm线程；
    启动thread_comm线程；
    创建thread_server线程；
    启动thread_server线程；
}
从上述代码中我们可以看到，thread_server线程无论如何，都占据内存的，即使通信线没有插上，一辈子都收不到请求，也是这样。那么，我们有改进方法吗？能不能收到请求后再创建线程，像方案2的代码这样：
2.2.1.2.        方案2
int thread_comm(int para)
{
    while(1)
    {
        if（收到请求）
        {
            if(thread_server线程未创建）
            {
                创建thread_server线程；
                启动thread_server线程；
            }else
                唤醒thread_server线程 or 释放信号量;
        }
        其他代码；
    }
}
int thread_server(int para)
{
    while(1)
    {
        提供收到的请求对应的服务;
        线程暂停 or 请求信号量；
    }
}
int main(void)
{
    创建thread_comm线程；
    启动thread_comm线程；
}
一般来说，这种方法是不合理的，因thread_comm线程是高优先级线程，而创建线程需要很长时间，并且分配栈需要使用动态分配内存，时间和结果都不确定，而所有这些事情都是为运行低优先级的thread_server线程做的，相当于在高优先级的线程中，花很多时间为低优先级线程做事，这是不合理的。
2.2.2.        DJYOS
int event_comm (int para)
{
    while(1)
    {
        if（收到请求）
            弹出evtt_server类型事件;
        其他代码；
    }
}
int event_server (int para)
{
    while(1)
    {
        提供收到的请求对应的服务;
        事件同步；
    }
}
int main(void)
{
    登记evtt_comm事件类型；
    弹出evtt_comm类型事件；
    登记evtt_server事件类型；
}
表面上，DJYOS下的代码和传统操作系统下方案1的代码类似，但在水面以下，是完全不同的。因为如果event_comm没有收到服务请求，就不会弹出evtt_server事件类型，其所对应的线程就不会被创建，也就不会占用计算机资源。
有读者可能会问了：这样不会出现2.2.1.2节的问题吗？DJYOS下是不会的，因为弹出事件仅仅是把事件控制块推进事件调度队列中，需要的时间是非常少的。而创建线程的操作，只有等到该事件必须被处理时，才执行。因event_comm的优先级高于event_server，故一定会在event_comm休眠的时候，才会执行创建线程的操作。
那又有读者可能要问，我要收到服务请求后，迅速可靠响应怎么办？的确，因为要分配内存，创建线程有失败的可能。这时候，你可以把evtt_server的优先级定高于128，但低于evtt_comm，这样，在登记事件类型的时候，系统会自动创建线程，等弹出事件的后，就无须创建线程，而是分配线程了。
2.2.3.        点评
传统操作系统下，无论任务是否产生，都要占用资源。
DJYOS下，不实际产生任务，就不占用资源。
孰优孰劣，就不用我说了吧。
举个简单例子，某通信产品，依通信口数量不同，有两种型号，A8型有8个口，A16型有16个口，其他功能一模一样。
传统操作系统实现该产品的话，要么A8和A16型配置相同的硬件资源，可使软件版本保持一致，但须付出更高的硬件成本；为了节省成本，A8和A16型会按实际需要配置资源，此时，两个型号的软件版本是不一样的，至少差一个配置常量是不一样的。即使只有一个配置常量不一样，企业也要管理两个不同的版本。
在DJYOS下，未安装的通信口，自动就不占用资源，完全没有上述问题。
2.3.        场景3
在场景2的基础上，如果频繁收到服务请求，但各个请求之间没有内在的关联，各个请求是可以独立处理的，有许多网络服务器接收的请求，以及云计算中的服务请求，就有这个特点。
2.3.1.        传统操作系统
如果使用2.2.1.1节的方法，CPU就只能串行地处理一个个接收到的请求，无论CPU的主频多么高，无论计算机有几个CPU核，都只能如此。
改善的办法是，创建多个线程，把不同的请求分配到不同的线程，但这样做的问题是，你不知道需要创建多少线程，创建的线程要是少了，服务请求密集到达的时候，就不够用；创建多了，就要占用很多资源，即使没有接收到请求，或者请求很少，这些资源也必须占用着。况且，这些活，操作系统内核时不会帮你做的，一切都要应用程序自己张罗。尤其是，在多核环境下，尤其麻烦。于是，就发展出了复杂的线程池技术，有兴趣的可以google“线程池”，这里就不再赘述了。
2.3.2.        DJYOS
在DJYOS下，天生就能优化支持这种应用。DJYOS的事件类型控制块中，有三个成员是为此类应用服务的：
vpus_res：繁忙时系统为本类型事件保留的线程数量，由应用程序设置。
vpus_limit：该类型事件同时拥有的线程数量上限，由应用程序设置。
vpus：本类型事件已经拥有的线程数量。
在这种情况下，只要把2.2.2代码中的event_server函数改成如下即可：
int event_server (int para)
{
    提供收到的请求对应的服务;
}
当事件类型登记后，vpus=0或1（如果事件类型的优先级高于128），若事件频繁弹出，即频繁收到服务请求，操作系统将为此类事件创建多个线程，直到线程数量达到上限vpus_limit，达到上限后，如果再有新事件弹出，新事件就将阻塞在调度队列中。线程执行完所需服务后，操作系统会查看事件队列中有没有evtt_server类型的事件，如果有，就直接把线程转交给它。如果没有，再查看evtt_server类型事件拥有的线程数量是否超过vpus_res，若超过就销毁该线程，否则保留该线程。
这样，如果频繁收到服务请求，操作系统就为evtt_server类型事件保持较多线程，否则就维持在比较低的水平。特别是，在多核环境下，操作系统可以自由选择这些线程放在哪个核，在分布式环境下，操作系统可自由选择放在哪个CPU，哪台计算机，所以说，DJYOS调度算法天生适合分布式和多核环境。
2.3.3.        点评
传统操作系统面对这种应用时，需要在调度器之外，用复杂的线程池技术，整个程序的复杂度大大增加，而DJYOS却在调度器这一级别直接实现了需要用线程池技术才能解决的问题，仅用了非常少的代码量，系统复杂度几乎没有增加。我们都知道，系统越简单，可靠性越高，bugs越少。
另外，在多核和分布式计算支持上，DJYOS可以由调度器直接完成多核支持，而这个调度器简单到可以运行在单片机上，这点，传统操作系统是很难做到的。目前，多核化的趋势已经蔓延到单片机领域，ADI已经有多核单片机，其他一些厂商也即将推出多核单片机。
2.4.        场景4
如何实现事件触发式编程，我们知道，微软的GUI是事件触发式编程的，VB、VC等可视化编程工具下是事件触发式编程的，这说明，事件触发式编程是我们所需要的。在传统操作系统和DJYOS下，实现事件触发式编程有什么异同呢？
2.4.1.        传统操作系统
让我们来看看CBuilder下的一个编程场景：
先优雅地拖一个按钮放到桌面上。
为鼠标点击该按钮的事件编写处理函数。
编码工作就这样完成了，很简单很强大吧。
接着编译、执行，用鼠标点击该按钮，就会执行处理函数。
这种优雅高效的编程方式是怎样实现的。原来，由开发工具创建的一个或多个线程一直在后台候着，等待操作系统弹出鼠标点击事件。操作系统则负责检测并弹出事件，潜伏的线程一旦收到鼠标点击事件，便被唤醒执行。我们可以看到，无论该按钮是否被点击，甚至一辈子都不点击，该线程依然要占用系统资源。
在事件触发是编程环境下，程序员只与程序需要处理的具体事件打交到，其编程过程完全与线程、进程等无关。我们也知道，在传统操作系统上，只有在PC上或者能运行linux、wince等的高端嵌入式平台上才能使用上述便利。为什么呢？究其原因，是因为操作系统是按照线程调度的，必须经过开发工具的包装后，才能转换成事件触发。而这种包装，需要耗费大量的计算机资源，所以只适合在高端平台上使用。
2.4.2.        DJYOS
无须多说了，DJYOS只提供事件触发式编程模式，无论在高端平台还是在单片机上，都只能用事件触发式编程，区别仅在于，单片机上可能不能提供可视化编程方式。
2.4.3.        点评
传统操作系统要的面向事件编程，只能在高端平台上实现，是不折不扣的奢侈品，而DJYOS却可以在单片机上，使用简单的开发工具就可以实现，摇身一变成为日用品；
传统OS，即使使用VC、VB之类的工具支持，事件触发式编程主要用于界面编程，不能覆盖所有需求，而DJYOS只需要单片机开发工具，就覆盖全部需求；
传统OS在VB、VC之类工具包装后，用事件触发式编程产生的目标程序尺寸庞大、效率低下，而DJYOS却跟线程编程有同样的效率。

ZRJ8951

顶

cat_li

学习一下，呵呵，不知道DJYOS 会不会出GUI，什么时候会出

zcl843

传统:
while(1)
{
   mouse_event_func();
}

DJYOS:
while(1)
{
   if(click_event_flag==true)
   {
        mouse_event_action();
   }
   else
   {
        ;
    }
}
是不是这样?

hahahagg

打酱油的路过。

huike

粗看了一下，真的没发现DJY有优势！

楼主做为原创者，对自己的OS非常之了解，自然会觉得易用！！！这个也算优势？

djyos

回复【3楼】zcl843 起航
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错了，仅就这种情况而言，传统和DJYOS在事件（线程）入口函数是一样的。

gliet_su

没有用过操作系统的路过。

zxhwww

所谓的调度器判断依据不同，还是感觉不明白你所说的线程和事件的区别。事件驱动和IAR的那个Visualstate状态机的驱动原理类似吗？

smset

”传统操作系统“ 的线程也可以动态创建啊。

smset

如果是按事件，动态创建线程去处理，不也差不多了吗？

cqpp

事件驱动最麻烦就是同步了，如果业务流程比较复杂的话，写出来的代码到处都是状态，异常难懂

wjp997

学习中。

gloryzkl

mark

mint

请问djy作者，看了的蛮多帖子，觉得你的事件相比于ucos的任务，有啥子区别呢？