Linux線程實現(xiàn)技術(shù)研究

范小鷗

(吉林建筑工程學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130118)

線程技術(shù)早在20世紀(jì)60年代已提出，但真正將多線程應(yīng)用到操作系統(tǒng)中還是在20世紀(jì)80年代中期［1-2］.現(xiàn)在，多線程技術(shù)已被許多操作系統(tǒng)所支持，包括Windows NT/2000和Linux.

1 線程簡析

線程是進(jìn)程中的一個實體，是被系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位，線程自己不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點(diǎn)在運(yùn)行中必不可少的資源，但其可與同屬一個進(jìn)程的其他線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源.一個線程可創(chuàng)建和撤消另一個線程，同一進(jìn)程中的多個線程之間可以并發(fā)執(zhí)行.由于線程之間的相互制約，致使線程在運(yùn)行中呈現(xiàn)出間斷性.線程也有就緒、阻塞和運(yùn)行3種基本狀態(tài)［3］.

在操作系統(tǒng)設(shè)計上，從進(jìn)程演化出線程，目的是更好地支持SMP以及減小(進(jìn)/線程)上下文切換開銷.線程與進(jìn)程相比主要有以下優(yōu)點(diǎn)［4］:

(1)線程和進(jìn)程相比，它是一種非?！肮?jié)儉”的多任務(wù)操作方式.在linux系統(tǒng)下，啟動一個新的進(jìn)程必須分配給它獨(dú)立的地址空間，建立眾多的數(shù)據(jù)表來維護(hù)它的代碼段、堆棧段和數(shù)據(jù)段，這是一種“昂貴”的多任務(wù)工作方式.而運(yùn)行于一個進(jìn)程中的多個線程，它們彼此之間使用相同的地址空間，共享大部分?jǐn)?shù)據(jù)，啟動一個線程所花費(fèi)的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于啟動一個進(jìn)程所花費(fèi)的空間，而且，線程間彼此切換所需的時間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)程間切換所需要的時間;

(2)線程間方便的通信機(jī)制.對不同進(jìn)程，它們具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)空間，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞只能通過通信的方式進(jìn)行，這種方式不僅費(fèi)時，而且很不方便.線程則不然，由于同一進(jìn)程下的線程之間共享數(shù)據(jù)空間，所以一個線程的數(shù)據(jù)可以直接為其他線程所用，這不僅快捷，而且方便.當(dāng)然，數(shù)據(jù)的共享也帶來其他一些問題，有的變量不能同時被兩個線程所修改;有的子程序中聲明為static的數(shù)據(jù);更有可能給多線程程序帶來災(zāi)難性的打擊，這些正是編寫多線程程序時最需要注意的地方;

(3)提高應(yīng)用程序響應(yīng).這對圖形界面的程序尤其有意義，當(dāng)一個操作耗時很長時，整個系統(tǒng)都會等待這個操作，此時程序不會響應(yīng)鍵盤、鼠標(biāo)、菜單的操作，而使用多線程技術(shù)，將耗時長的操作(time consuming)置于一個新的線程，可以避免這種尷尬的情況;

(4)使多CPU系統(tǒng)更加有效.操作系統(tǒng)會保證當(dāng)線程數(shù)不大于CPU數(shù)目時，不同的線程運(yùn)行于不同的CPU上;

(5)改善程序結(jié)構(gòu).一個既長又復(fù)雜的進(jìn)程，可考慮分為多個線程，成為幾個獨(dú)立或半獨(dú)立的運(yùn)行部分，有利于程序的可讀性和可維護(hù)性.

2 LINUX線程的思想及特點(diǎn)

2.1 線程描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

線程機(jī)制Linux Threads定義了一個struct_pthread_descr_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述線程，并使用全局?jǐn)?shù)組變量_pthread_handles來描述和引用進(jìn)程所轄線程.在_pthread_handles中的前兩項，Linux Threads定義了兩個全局的系統(tǒng)線程:_pthread_initial_thread和_pthread_manager_thread，并用_pthread_main_thread表征_pthread_ manager_thread的父線程(初始為_pthread_initial_thread).struct_pthread_descr_struct是一個雙環(huán)鏈表結(jié)構(gòu)，_ pthread_manager_thread所在的鏈表僅包括它一個元素，實際上，_pthread_manager_thread是一個特殊線程，Linux Threads僅使用了其中的errno，p_pid，p_priority等3個域.而_pthread_main_thread所在的鏈則將進(jìn)程中所有用戶線程串在了一起.

2.2 管理線程

Linux Threads所采用的是線程一進(jìn)程“一對一”模型(用一個核心進(jìn)程(也許是輕量進(jìn)程)對應(yīng)一個線程，將線程調(diào)度等同于進(jìn)程調(diào)度，交給核心完成)，調(diào)度交給核心，而在用戶級實現(xiàn)一個包括信號處理在內(nèi)的線程管理機(jī)制.“一對一”模型的好處之一是線程的調(diào)度由核心完成了，而其他諸如線程取消、線程間的同步等工作，都是在核外線程庫中完成的.在Linux Threads中，專門為每一個進(jìn)程構(gòu)造了一個管理線程，負(fù)責(zé)處理線程相關(guān)的管理工作.當(dāng)進(jìn)程第一次調(diào)用pthread_create()創(chuàng)建一個線程的時候，就會創(chuàng)建(clone())并啟動管理線程.

在一個進(jìn)程空間內(nèi)，管理線程與其他線程之間通過一對“管理管道(manager_pipe)”來通訊，該管道在創(chuàng)建管理線程之前創(chuàng)建，在成功啟動了管理線程之后.管理管道的讀端和寫端分別賦給兩個全局變量pthread_ manager_reader和_pthread_manager_request之后，每個用戶線程都通過pthread_manager_request向管理線程發(fā)請求，但管理線程本身并沒有直接使用_pthread_manager_reader，管道的讀端(manager_pipe［0］)是作為_ clone()的參數(shù)之一傳給管理線程的，管理線程的工作主要是監(jiān)聽管道讀端，并對從中取出的請求作出反應(yīng).創(chuàng)建管理線程的流程為:

初始化結(jié)束后，在_pthread_manager_thread中，記錄了輕量級進(jìn)程號(輕量級線程(LWP)是一種由內(nèi)核支持的用戶線程.它是基于內(nèi)核線程的高級抽象，因此只有先支持內(nèi)核線程，才能有LWP)，以及核外分配和管理的線程id，id=2*PTHREAD_THREADS_MAX+1這個數(shù)值不會與任何常規(guī)用戶線程id沖突.管理線程作為pthread_create()的調(diào)用者線程的子線程運(yùn)行，而pthread_create()所創(chuàng)建的那個用戶線程則是由管理線程來調(diào)用clone()創(chuàng)建，因此實際上是管理線程的子線程(此處子線程的概念應(yīng)該當(dāng)作子進(jìn)程來理解)._ pthread_manager()就是管理線程的主循環(huán)所在，在進(jìn)行一系列初始化工作后，進(jìn)入while(1)循環(huán).在循環(huán)中，線程以2s為timeout查詢(_poll())管理管道的讀端.在處理請求前，檢查其父線程(也就是創(chuàng)建manager的主線程)是否已退出，如果已退出就退出整個進(jìn)程.如果有退出的子線程需要清理，則調(diào)用pthread_reap_children()清理.然后才是讀取管道中的請求，根據(jù)請求類型執(zhí)行相應(yīng)操作(switch-case).

2.3 線程棧

在Linux Threads中，管理線程的棧和用戶線程的棧是分離的，管理線程在進(jìn)程堆中通過malloc()分配一個THREAD_MANAGER_STACK_SIZE字節(jié)的區(qū)域作為自己的運(yùn)行棧.用戶線程的棧分配辦法隨著體系結(jié)構(gòu)的不同而不同，主要根據(jù)兩個宏定義來區(qū)分，一個是NEED_SEPARATE_REGISTER_STACK，這個屬性僅在IA64平臺上使用;另一個是FLOATING_STACK宏，在i386等少數(shù)平臺上使用，此時用戶線程棧由系統(tǒng)決定具體位置并提供保護(hù).與此同時，用戶還可以通過線程屬性結(jié)構(gòu)來指定使用用戶自定義的棧.

2.4 線程id和進(jìn)程id

每個Linux Threads線程都同時具有線程id和進(jìn)程id，其中進(jìn)程id就是內(nèi)核所維護(hù)的進(jìn)程號，而線程id則由LinuxThreads分配和維護(hù)._pthread_initial_thread的線程id為PTHREAD_THREADS_MAX，_pthread_ manager_thread的是:2*PTHREAD_THREADS_MAX+1，第一個用戶線程的線程id為PTHREAD_THREADS _MAX+2，此后第n個用戶線程的線程id遵循以下公式:

tid=n*PTHREAD_THREADS_MAX+n+1

這種分配方式保證了進(jìn)程中所有的線程(包括已經(jīng)退出)都不會有相同的線程id，而線程id的類型pthread_t定義為無符號長整型(unsigned long int)，也保證了有理由的運(yùn)行時間內(nèi)線程id不會重復(fù).從線程id查找線程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是在pthread_handle()函數(shù)中完成的，實際上只是將線程號按PTHREAD_THREADS_ MAX取模，得到的就是該線程在pthread_handles中的索引.

3 結(jié)語

雖然linux中線程實現(xiàn)機(jī)制日趨成熟且廣泛應(yīng)用，但仍存在不足.比如說，由于計算線程本地數(shù)據(jù)的方法是基于堆棧地址的位置，因此，對于這些數(shù)據(jù)的訪問速度都很慢.由于Linux Threads是圍繞一個管理線程來設(shè)計的，因此會導(dǎo)致較多上下文切換的開銷，這可能妨礙系統(tǒng)的可伸縮性能.由于線程的管理方式及每個線程都使用了一個不同的進(jìn)程ID，因此Linux Threads和其他與Posix相關(guān)的線程庫并不兼容.總之，隨著linux內(nèi)核的發(fā)展，其中所使用的線程機(jī)制也將不斷改進(jìn)與完善.

［1］李建軍，陳鴻星，張紅新，張 威.Linux線程庫的實現(xiàn)機(jī)制［J］.計算機(jī)與現(xiàn)代化，2005(4):98-100.

［2］鄭燕飛，余海燕.Linux的多線程機(jī)制探討與實踐［J］.計算機(jī)應(yīng)用，2001(1):83-85.

［3］金惠芳，陶利民，張基溫.Linux下多線程技術(shù)分析及應(yīng)用［J］.計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2003(9):30-31.

［4］周 麗，焦程波，蘭巨龍.LINUX系統(tǒng)下多線程與多進(jìn)程性能分析［J］.微計算機(jī)信息，2005(17):123-124.