Linux线程实现技术研究

范小鸥

(吉林建筑工程学院计算机科学与工程学院，长春 130118)

线程技术早在20世纪60年代已提出，但真正将多线程应用到操作系统中还是在20世纪80年代中期［1-2］.现在，多线程技术已被许多操作系统所支持，包括Windows NT/2000和Linux.

1 线程简析

线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源，但其可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源.一个线程可创建和撤消另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行.由于线程之间的相互制约，致使线程在运行中呈现出间断性.线程也有就绪、阻塞和运行3种基本状态［3］.

在操作系统设计上，从进程演化出线程，目的是更好地支持SMP以及减小(进/线程)上下文切换开销.线程与进程相比主要有以下优点［4］:

(1)线程和进程相比，它是一种非常“节俭”的多任务操作方式.在linux系统下，启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种“昂贵”的多任务工作方式.而运行于一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间;

(2)线程间方便的通信机制.对不同进程，它们具有独立的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信的方式进行，这种方式不仅费时，而且很不方便.线程则不然，由于同一进程下的线程之间共享数据空间，所以一个线程的数据可以直接为其他线程所用，这不仅快捷，而且方便.当然，数据的共享也带来其他一些问题，有的变量不能同时被两个线程所修改;有的子程序中声明为static的数据;更有可能给多线程程序带来灾难性的打击，这些正是编写多线程程序时最需要注意的地方;

(3)提高应用程序响应.这对图形界面的程序尤其有意义，当一个操作耗时很长时，整个系统都会等待这个操作，此时程序不会响应键盘、鼠标、菜单的操作，而使用多线程技术，将耗时长的操作(time consuming)置于一个新的线程，可以避免这种尴尬的情况;

(4)使多CPU系统更加有效.操作系统会保证当线程数不大于CPU数目时，不同的线程运行于不同的CPU上;

(5)改善程序结构.一个既长又复杂的进程，可考虑分为多个线程，成为几个独立或半独立的运行部分，有利于程序的可读性和可维护性.

2 LINUX线程的思想及特点

2.1 线程描述数据结构

线程机制Linux Threads定义了一个struct_pthread_descr_struct数据结构来描述线程，并使用全局数组变量_pthread_handles来描述和引用进程所辖线程.在_pthread_handles中的前两项，Linux Threads定义了两个全局的系统线程:_pthread_initial_thread和_pthread_manager_thread，并用_pthread_main_thread表征_pthread_ manager_thread的父线程(初始为_pthread_initial_thread).struct_pthread_descr_struct是一个双环链表结构，_ pthread_manager_thread所在的链表仅包括它一个元素，实际上，_pthread_manager_thread是一个特殊线程，Linux Threads仅使用了其中的errno，p_pid，p_priority等3个域.而_pthread_main_thread所在的链则将进程中所有用户线程串在了一起.

2.2 管理线程

Linux Threads所采用的是线程一进程“一对一”模型(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)，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.“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Linux Threads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.

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)”来通讯，该管道在创建管理线程之前创建，在成功启动了管理线程之后.管理管道的读端和写端分别赋给两个全局变量pthread_ manager_reader和_pthread_manager_request之后，每个用户线程都通过pthread_manager_request向管理线程发请求，但管理线程本身并没有直接使用_pthread_manager_reader，管道的读端(manager_pipe［0］)是作为_ clone()的参数之一传给管理线程的，管理线程的工作主要是监听管道读端，并对从中取出的请求作出反应.创建管理线程的流程为:

初始化结束后，在_pthread_manager_thread中，记录了轻量级进程号(轻量级线程(LWP)是一种由内核支持的用户线程.它是基于内核线程的高级抽象，因此只有先支持内核线程，才能有LWP)，以及核外分配和管理的线程id，id=2*PTHREAD_THREADS_MAX+1这个数值不会与任何常规用户线程id冲突.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(此处子线程的概念应该当作子进程来理解)._ pthread_manager()就是管理线程的主循环所在，在进行一系列初始化工作后，进入while(1)循环.在循环中，线程以2s为timeout查询(_poll())管理管道的读端.在处理请求前，检查其父线程(也就是创建manager的主线程)是否已退出，如果已退出就退出整个进程.如果有退出的子线程需要清理，则调用pthread_reap_children()清理.然后才是读取管道中的请求，根据请求类型执行相应操作(switch-case).

2.3 线程栈

在Linux Threads中，管理线程的栈和用户线程的栈是分离的，管理线程在进程堆中通过malloc()分配一个THREAD_MANAGER_STACK_SIZE字节的区域作为自己的运行栈.用户线程的栈分配办法随着体系结构的不同而不同，主要根据两个宏定义来区分，一个是NEED_SEPARATE_REGISTER_STACK，这个属性仅在IA64平台上使用;另一个是FLOATING_STACK宏，在i386等少数平台上使用，此时用户线程栈由系统决定具体位置并提供保护.与此同时，用户还可以通过线程属性结构来指定使用用户自定义的栈.

2.4 线程id和进程id

每个Linux Threads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._pthread_initial_thread的线程id为PTHREAD_THREADS_MAX，_pthread_ manager_thread的是:2*PTHREAD_THREADS_MAX+1，第一个用户线程的线程id为PTHREAD_THREADS _MAX+2，此后第n个用户线程的线程id遵循以下公式:

tid=n*PTHREAD_THREADS_MAX+n+1

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.从线程id查找线程数据结构是在pthread_handle()函数中完成的，实际上只是将线程号按PTHREAD_THREADS_ MAX取模，得到的就是该线程在pthread_handles中的索引.

3 结语

虽然linux中线程实现机制日趋成熟且广泛应用，但仍存在不足.比如说，由于计算线程本地数据的方法是基于堆栈地址的位置，因此，对于这些数据的访问速度都很慢.由于Linux Threads是围绕一个管理线程来设计的，因此会导致较多上下文切换的开销，这可能妨碍系统的可伸缩性能.由于线程的管理方式及每个线程都使用了一个不同的进程ID，因此Linux Threads和其他与Posix相关的线程库并不兼容.总之，随着linux内核的发展，其中所使用的线程机制也将不断改进与完善.

［1］李建军，陈鸿星，张红新，张 威.Linux线程库的实现机制［J］.计算机与现代化，2005(4):98-100.

［2］郑燕飞，余海燕.Linux的多线程机制探讨与实践［J］.计算机应用，2001(1):83-85.

［3］金惠芳，陶利民，张基温.Linux下多线程技术分析及应用［J］.计算机系统应用，2003(9):30-31.

［4］周 丽，焦程波，兰巨龙.LINUX系统下多线程与多进程性能分析［J］.微计算机信息，2005(17):123-124.