文档介绍：Linux线程实现机制分析口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少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LinuxThrcads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。: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hl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冇多个线程,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,止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來实现,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,同吋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。在目前的商用系统屮,通常都将两者结合起来使用,既提供核心线程以满足smp系统的需耍,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耍求前者的支持,|佃用户级线程模型则不一定基于后者实现。这种差杲,正如前所述,是两种分类方式的标准不同带來的。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,而同吋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屮运行。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耍,也可以最大限度的减小调度开销。绝大多数商业操作系统()。在核外实现的线程乂可以分为〃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川于多处理器系统,而这个需求正变得越来越人,因此,在现实屮,纯用户级线程的实现,除算法硏究F1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。、资源及其执行三部分,其小程序通常指代码,资源在操作系统层面上通常包括内存资源、10资源、信号处理等部分,而程序的执行通常理解为执行上下文,包括对cpu的占用,后来发展为线程。在线程概念出现以加,为了减小进程切换的开销,操作系统设计者逐渐修正进程的概念,逐渐允许将进程所占冇的资源从其主体剥离出來,允许某些进程共享一•部分资源,例如文件、信号,数据内存,甚至代码,这就发展出轻量进程的概念。,应用程序可以通过一个统—•的clone()系统调用接口,用不同的参数指定创建轻最进程还是普通进程。在内核屮,clone0调用经过参数传递和解释后会调用do_fork(),这个核内函数同时也是fork0、vfor