Linux posix线程库总结

Posted 2020-07-23

 　　由于历史原因，2.5.x以前的linux对pthreads没有提供内核级的支持，所以在linux上的pthreads实现只能采用n：1的方式，也称为库实现。

目前，pthreads的实现有3种方式：

（1）第一，多对一，也就是库实现。

（2）第二种，1：1模式。

　　1：1模式适合CPU密集型的机器。我们知道，进程（线程）在运行中会由于等待某种资源而阻塞，可能是I/O资源，也可能是CPU。在多CPU机器上1：1模式是个很不错的选择。因此1：1的优点就是，能够充分发挥SMP的优势。
这种模式也有它的缺点。由于OS为每个线程建立一个内核线程，导致内核级的内存空间（IA32机器的4G虚存空间的最高1G）的大开销。第二个缺点在于，在传统意义上，在mutex互斥锁和条件变量上的操作要求进入内核态，这是因为OS负责调度，它要为线程的转态转换负全责。后面我们会看到，Linux的NPTL库避免了这个缺点，它的互斥锁与条件变量的操作在用户态完成。

（3）第三种，M：N模式。

　　这种模式试图兼有上面2种模式的优点。它要求一个分层的模型。比方说，某个进程内有4个线程，其中每2个线程对应一个内核线程。这样，OS知道2个实体的存在，负责它们的调度。而在一个实体内有2个线程，这2个线程间的调度就是OS不加干涉、也不知道的了。
简单的说，M：N模型的OS级调度上，跟1：1模型相似；线程间调度上，跟n：1模型相似。
优点是，既可以在进程内利用SMP的优势，又可以节省系统空间内存的消耗，而且环境切换大多在用户态完成。
缺点是显然的：复杂。

 

　　Linux线程是通过进程来实现。Linux kernel为进程创建提供一个clone()系统调用，clone的参数包括如 CLONE_VM, CLONE_FILES, CLONE_SIGHAND 等。通过clone()的参数，新创建的进程，也称为LWP(Lightweight process)与父进程共享内存空间，文件句柄，信号处理等，从而达到创建线程相同的目的。

　　在Linux 2.6之前，Linux kernel并没有真正的thread支持，一些thread library都是在clone()基础上的一些基于user space的封装，因此通常在信号处理、进程调度(每个进程需要一个额外的调度线程)及多线程之间同步共享资源等方面存在一定问题。Linux 2.6的线程库叫NPTL(Native POSIX Thread Library)。POSIX thread(pthread)是一个编程规范，通过此规范开发的多线程程序具有良好的跨平台特性。尽管是基于进程的实现，但新版的NPTL创建线程的效率非常高。一些测试显示，基于NPTL的内核创建10万个线程只需要2秒，而没有NPTL支持的内核则需要长达15分钟。

　　在Linux中，每一个线程都有一个task_struct。线程和进程可以使用同一调度其调度。内核角度上来将LWP和Process没有区别，有的仅仅是资源的共享。如果独享资源则是HWP，共享资源则是LWP。而在真正内核实现的NPTL的实现是在kernel增加了futex(fast userspace mutex)支持用于处理线程之间的sleep与wake。futex是一种高效的对共享资源互斥访问的算法。kernel在里面起仲裁作用，但通常都由进程自行完成。NPTL是一个1×1的线程模型，即一个线程对于一个操作系统的调度进程，优点是非常简单。而其他一些操作系统比如Solaris则是MxN的，M对应创建的线程数，N对应操作系统可以运行的实体。(N<M)，优点是线程切换快，但实现稍复杂。

 

注：

（1）pthread线程库--NPTL(Native POSIX Threading Library)

　　在1:1核心线程模型中，应用程序创建的每一个线程（也有书称为LWP）都由一个核心线程直接管理。OS内核将每一个核心线程都调到系统CPU上，

因此，所有线程都工作在“系统竞争范围”（system contention scope）：线程直接和“系统范围”内的其他线程竞争。

（2）NGPT(Next Generation POSIX Threads)

　　N:M混合线程模型提供了两级控制，将用户线程映射为系统的可调度体以实现并行，这个可调度体称为轻量级进程（LWP:light weight process），LWP

再一一映射到核心线程。如下图所示。OS内核将每一个核心线程都调到系统CPU上，因此，所有线程都工作在“系统竞争范围”。