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Linux 线程实现机制分析

自从多线程编程的概念出现在 Linux 中以来,Linux 多线应用的发展总是与两个问题脱不开干系:兼容性、效率。本文从线程模型入手,通过分析目前 Linux 平台上最流行的 LinuxThreads 线程库的实现及其不足,描述了 Linux 社区是如何看待和解决兼容性和效率这两个问题的。

一.基础知识:线程和进程

按照教科书上的定义,进程是资源管理的最小单位,线程是程序执行的最小单位。在操作系统设计上,从进程演化出线程,最主要的目的就是更好的支持SMP以及减小(进程/线程)上下文切换开销。

无 论按照怎样的分法,一个进程至少需要一个线程作为它的指令执行体,进程管理着资源(比如cpu、内存、文件等等),而将线程分配到某个cpu上执行。一个 进程当然可以拥有多个线程,此时,如果进程运行在SMP机器上,它就可以同时使用多个cpu来执行各个线程,达到最大程度的并行,以提高效率;同时,即使 是在单cpu的机器上,采用多线程模型来设计程序,正如当年采用多进程模型代替单进程模型一样,使设计更简洁、功能更完备,程序的执行效率也更高,例如采 用多个线程响应多个输入,而此时多线程模型所实现的功能实际上也可以用多进程模型来实现,而与后者相比,线程的上下文切换开销就比进程要小多了,从语义上 来说,同时响应多个输入这样的功能,实际上就是共享了除cpu以外的所有资源的。

针对线程模型的两大意义,分别开发出了核 心级线程和用户级线程两种线程模型,分类的标准主要是线程的调度者在核内还是在核外。前者更利于并发使用多处理器的资源,而后者则更多考虑的是上下文切换 开销。在目前的商用系统中,通常都将两者结合起来使用,既提供核心线程以满足smp系统的需要,也支持用线程库的方式在用户态实现另一套线程机制,此时一 个核心线程同时成为多个用户态线程的调度者。正如很多技术一样,"混合"通常都能带来更高的效率,但同时也带来更大的实现难度,出于"简单"的设计思路, Linux从一开始就没有实现混合模型的计划,但它在实现上采用了另一种思路的"混合"。

在线程机制的具体实现上,可以在 操作系统内核上实现线程,也可以在核外实现,后者显然要求核内至少实现了进程,而前者则一般要求在核内同时也支持进程。核心级线程模型显然要求前者的支 持,而用户级线程模型则不一定基于后者实现。这种差异,正如前所述,是两种分类方式的标准不同带来的。

当核内既支持进程也 支持线程时,就可以实现线程-进程的"多对多"模型,即一个进程的某个线程由核内调度,而同时它也可以作为用户级线程池的调度者,选择合适的用户级线程在 其空间中运行。这就是前面提到的"混合"线程模型,既可满足多处理机系统的需要,也可以最大限度的减小调度开销。绝大多数商业操作系统(如Digital Unix、Solaris、Irix)都采用的这种能够完全实现POSIX1003.1c标准的线程模型。在核外实现的线程又可以分为"一对一"、"多对 一"两种模型,前者用一个核心进程(也许是轻量进程)对应一个线程,将线程调度等同于进程调度,交给核心完成,而后者则完全在核外实现多线程,调度也在用 户态完成。后者就是前面提到的单纯的用户级线程模型的实现方式,显然,这种核外的线程调度器实际上只需要完成线程运行栈的切换,调度开销非常小,但同时因 为核心信号(无论是同步的还是异步的)都是以进程为单位的,因而无法定位到线程,所以这种实现方式不能用于多处理器系统,而这个需求正变得越来越大,因 此,在现实中,纯用户级线程的实现,除算法研究目的以外,几乎已经消失了。

Linux内核只提供了轻量进程的支持,限制了 更高效的线程模型的实现,但Linux着重优化了进程的调度开销,一定程度上也弥补了这一缺陷。目前最流行的线程机制LinuxThreads所采用的就 是线程-进程"一对一"模型,调度交给核心,而在用户级实现一个包括信号处理在内的线程管理机制。Linux-LinuxThreads的运行机制正是本 文的描述重点。

posted on 2007-08-11 01:37 旅途 阅读(479) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: linux内核


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