原创 LinuxThread的线程机制简介

2010-11-25 19:33 967 4 4 分类: MCU/ 嵌入式

作者:李智敏,华清远见嵌入式学院讲师。


LinuxThreads是目前Linux平台上使用最为广泛的线程库,并已绑定在GLIBC中发行。它所实现的就是基于核心轻量级进程的"一对一"线程模型,一个线程实体对应一个核心轻量级进程,而线程之间的管理在核外函数库中实现。


LinuxThreads遵循POSIX1003.1c标准,其中对线程库的实现进行了一些范围限制,比如进程最大线程数,线程私有数据区大小等等。在LinuxThreads的实现中,基本遵循这些限制,但也进行了一定的改动,改动的趋势是放松或者说扩大这些限制,使编程更加方便。这些限定宏主要集中在sysdeps/unix/sysv/linux/bits/local_lim.h(不同平台使用的文件位置不同)中。


"一对一"模型的好处之一是线程的调度由核心完成了,而其他诸如线程取消、线程间的同步等工作,都是在核外线程库中完成的。在LinuxThreads中,专门为每一个进程构造了一个管理线程,负责处理线程相关的管理工作。当进程第一次调用pthread_create()创建一个线程的时候就会创建(__clone())并启动管理线程。


管理线程作为pthread_create()的调用者线程的子线程运行,而pthread_create()所创建的那个用户线程则是由管理线程来调用clone()创建,因此实际上是管理线程的子线程。在一个进程空间内,管理线程与其他线程之间通过一对"管理管道(manager_pipe[2])"来通讯,该管道在创建管理线程之前创建,管理线程的工作主要就是监听管道读端,并对从中取出的请求作出反应。


管理线程容易成为瓶颈,这是这种结构的通病;同时,管理线程又负责用户线程的清理工作,因此,尽管管理线程已经屏蔽了大部分的信号,但一旦管理线程死亡,用户线程就不得不手工清理了,而且用户线程并不知道管理线程的状态,之后的线程创建等请求将无人处理。


每个LinuxThreads线程都同时具有线程id和进程id,其中进程id就是内核所维护的进程号,而线程id则由LinuxThreads分配和维护。这种分配方式保证了进程中所有的线程(包括已经退出)都不会有相同的线程id,而线程id的类型pthread_t定义为无符号长整型(unsigned long int),也保证了有理由的运行时间内线程id不会重复。但对于进程id,按照POSIX定义,同一进程的所有线程应该共享一个进程id和父进程id,这在目前的"一对一"模型下是无法实现的。


Linux内核并不支持真正意义上的线程,LinuxThreads是用与普通进程具有同样内核调度视图的轻量级进程来实现线程支持的。这些轻量级进程拥有独立的进程id,在进程调度、信号处理、IO等方面享有与普通进程一样的能力。


因此,由于异步信号是内核以进程为单位分发的,而LinuxThreads的每个线程对内核来说都是一个进程,且没有实现"线程组",LinuxThreads的某些语义不符合POSIX标准,比如没有实现向进程中所有线程发送信号。另外,某些信号的缺省动作难以在现行体系上实现,比如SIGSTOP和SIGCONT,LinuxThreads只能将一个线程挂起,而无法挂起整个进程。

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