将控制从线程返回到调度程序（上下文切换）

Posted 2023-02-22

【中文标题】将控制从线程返回到调度程序（上下文切换）

【英文标题】：Return control from thread to scheduler (context switching)

【发布时间】：2015-09-11 19:29:25

【问题描述】：

我正在为一个大学项目编写一个使用上下文切换的简单线程库。我在从线程执行返回时遇到问题。

最初我切换到一个新创建的线程是这样的：

  int done = 0;
  getcontext(&parent_context);                                          
  if (!done) 
    done = 1;
    setcontext(&(thread->context));
  
  return thread->tid;

其中thread->context.uc_link 是&parent_context。它可以工作，但我需要在创建线程时调用调度程序，而不是仅仅切换到它的上下文。所以我将thread->context.uc_link 设置为NULL 而不是&parent_context 并将上面的代码替换为

schedule(thread);
scheduler();
return thread->tid;

其中schedule 将线程入队，scheduler 获取队列中的第一个线程并调用dispatcher，这只是对setcontext 的调用。问题是，我需要线程将控制权返回给调度程序。我发生的第一件事是：

static void
scheduler()

  int dispatched = 0;
  ucontext_t ret;
  // Get the first thread in the queue, then
  thread->context.uc_link = &ret;
  getcontext(&ret);
  if (!dispatched) 
    dispatched = 1;
    setcontext(&(thread->context));
  
  // Remove the dispatched thread from the queue

这不起作用 - 线程不会将控制权返回给调度程序，并且程序会在线程终止执行后结束。我认为这是因为我在更改uc_link 后没有调用makecontext。但是，为了调用makecontext，我必须将线程的函数指针和参数传递给调度程序，这是不可取的，因为我无法修改线程数据结构来存储它（项目规则）。我在网上找到的使用上下文切换的线程“库”在线程函数内调用setcontext：

http://www.evanjones.ca/software/threading.html

http://nitish712.blogspot.com.br/2012/10/thread-library-using-context-switching.html

这也是不可取的，因为用户不需要自己进行上下文切换。如何使线程将控制权返回给调度程序？我能想到的一种技巧是使用静态变量ucontext_t return_context 并将其用作所有线程的uc_link。因此，在调用调度程序之前，我会执行getcontext(&return_context)，调度程序变为：

  // Get the first thread in the queue, then
  // Remove the thread from the queue
  setcontext(&(thread->context));

这似乎可行，但这样没有两个线程可以同时执行。这不是这个项目的问题，但它似乎是错误的。另一个问题是调用调度程序的每个函数都充当调度程序：

int done = 0;
getcontext(&return_context);
if (!done) 
  done = 1;
  scheduler();

fprintf(stderr, "Thread returned\n");

这是要走的路吗？

【问题讨论】：

我认为不可能在用户空间中实现并行线程。 evanjones.ca 链接提到了纤程，它们通常是协作异步的，而不是并行的。

通过上下文switching实现线程的起始前提意味着您将执行CPU切片，而不是并发多线程。两个线程不需要上下文切换即可在不同的内核上同时运行。

尽管如此，您的库也许可以在多个并行操作系统线程的上下文中运行。我认为您无法在线程之间传输上下文，但如果您小心避免全局数据，那么您可以在线程内执行切片。如果您可能需要全局数据，请考虑使用线程本地数据。

【参考方案1】：

代码需要做什么取决于代码运行的环境。

如果在 Linux、MAC 或 Windows 等操作系统下运行，用户实际上并没有太多控制权。

如果在“准系统”平台上运行，需要做出选择：

抢先式上下文切换或许可式上下文切换。

在抢占式上下文切换中，中断处理程序触发调度程序（这将触发调度程序，这实际上会导致“线程”恢复执行）并且调度程序保存当前上下文，决定接下来运行什么（这将取决于线程运行多长时间和可用上下文的优先级，以及特定上下文在等待某个事件时是否被“阻塞”。

在许可上下文切换中，线程调用调度程序，从而将 CPU 让给调度程序，调度程序将恢复未阻塞且优先级最高且延迟时间最长的线程。

在时间敏感的系统中，调度程序还将检查需要定期运行的线程在重新启动该线程之前是否已完成其先前的执行。如果线程尚未完成其先前的执行，则断言错误，通常涉及记录错误并重新启动系统。

那么，您的代码应该在什么环境中运行？