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,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

凌众科技专业提供服务器租用、服务器托管、企业邮局、虚拟主机等服务，公司网站：http://www.lingzhong.cn 为了给广大客户了解更多的技术信息，本技术文章收集来源于网络,凌众科技尊重文章作者的版权，如果有涉及你的版权有必要删除你的文章，请和我们联系。以上信息与文章正文是不可分割的一部分,如果您要转载本文章,请保留以上信息，谢谢!