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openapi 简介
进程是资源管理的最小单位,线程是程序执行的最小单位
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。
SMP:是Symmetric Multi Processing的简称,意为对称多处理系统,内有许多紧耦合多处理器,这种系统的最大特点就是共享所有资源。另外与之相对立的标准是MPP (Massively Parallel Processing),意为大规模并行处理系统,这样的系统是由许多松耦合处理单元组成的,要注意的是这里指的是处理单元而不是处理器。每个单元内的CPU都有自己私有的资源,如总线、内存、硬盘等。在每个单元内都有操作系统和管理数据库的实例复本。这种结构最大的特点在于不共享资源。
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。
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。
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。
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。
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有的资源从其主体剥离出来,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一的clone()系统调用接口,用不同的参数指定创建轻量进程还是普通进程。在内核中,clone()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fork()、vfork()系统调用的最终实现。
在do_fork()中,不同的clone_flags将导致不同的行为,对于LinuxThreads,它使用(CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND)参数来调用clone()创建"线程",表示共享内存、共享文件系统访问计数、共享文件描述符表,以及共享信号处理方式。
1.CLONE_VM
do_fork()需要调用copy_mm()来设置task_struct中的mm和active_mm项,这两个mm_struct数据与进程所关联的内存空间相对应。如果do_fork()时指定了CLONE_VM开关,copy_mm()将把新的task_struct中的mm和active_mm设置成与current的相同,同时提高该mm_struct的使用者数目(mm_struct::mm_users)。也就是说,轻量级进程与父进程共享内存地址空间
2.CLONE_FS
task_struct中利用fs(struct fs_struct *)记录了进程所在文件系统的根目录和当前目录信息,do_fork()时调用copy_fs()复制了这个结构;而对于轻量级进程则仅增加fs->count计数,与父进程共享相同的fs_struct。也就是说,轻量级进程没有独立的文件系统相关的信息,进程中任何一个线程改变当前目录、根目录等信息都将直接影响到其他线程。
3.CLONE_FILES
一个进程可能打开了一些文件,在进程结构task_struct中利用files(struct files_struct *)来保存进程打开的文件结构(struct file)信息,do_fork()中调用了copy_files()来处理这个进程属性;轻量级进程与父进程是共享该结构的,copy_files()时仅增加files->count计数。这一共享使得任何线程都能访问进程所维护的打开文件,对它们的操作会直接反映到进程中的其他线程。
4.CLONE_SIGHAND
每一个Linux进程都可以自行定义对信号的处理方式,在task_struct中的sig(struct signal_struct)中使用一个struct k_sigaction结构的数组来保存这个配置信息,do_fork()中的copy_sighand()负责复制该信息;轻量级进程不进行复制,而仅仅增加signal_struct::count计数,与父进程共享该结构。也就是说,子进程与父进程的信号处理方式完全相同,而且可以相互更改。
对于SMP系统,所有的进程fork出来后,都被分配到与父进程相同的cpu上,一直到该进程被调度时才会进行cpu选择。
尽管Linux支持轻量级进程,但并不能说它就支持核心级线程,因为Linux的"线程"和"进程"实际上处于一个调度层次,共享一个进程标识符空间,这种限制使得不可能在Linux上实现完全意义上的POSIX线程机制,因此众多的Linux线程库实现尝试都只能尽可能实现POSIX的绝大部分语义,并在功能上尽可能逼近。
LinuxThreads是目前Linux平台上使用最为广泛的线程库,由Xavier Leroy (Xavier.Leroy@inria.fr)负责开发完成,并已绑定在GLIBC中发行。它所实现的就是基于核心轻量级进程的"一对一"线程模型,一个线程实体对应一个核心轻量级进程,而线程之间的管理在核外函数库中实现。
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LinuxThreads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。
缺点如下:
1)进程id问题
2)信号处理问题
3)线程总数问题
4)管理线程问题
5)同步问题
6)其他POSIX兼容性问题
7)实时性问题
下一代线程库
1.NPTL
NPTL的设计目标归纳可归纳为以下几点:
POSIX兼容性
SMP结构的利用
低启动开销
低链接开销(即不使用线程的程序不应当受线程库的影响)
与LinuxThreads应用的二进制兼容性
软硬件的可扩展能力
多体系结构支持
NUMA支持
与C++集成
在技术实现上,NPTL仍然采用1:1的线程模型,并配合glibc和最新的Linux Kernel2.5.x开发版在信号处理、线程同步、存储管理等多方面进行了优化。和LinuxThreads不同,NPTL没有使用管理线程,核心线程的管理直接放在核内进行,这也带了性能的优化。
主要是因为核心的问题,NPTL仍然不是100%POSIX兼容的,但就性能而言相对LinuxThreads已经有很大程度上的改进了。
2.NGPT
IBM的开放源码项目NGPT在2003年1月10日推出了稳定的2.2.0版,但相关的文档工作还差很多。就目前所知,NGPT是基于GNU Pth(GNU Portable Threads)项目而实现的M:N模型,而GNU Pth是一个经典的用户级线程库实现。
按照2003年3月NGPT官方网站上的通知,NGPT考虑到NPTL日益广泛地为人所接受,为避免不同的线程库版本引起的混乱,今后将不再进行进一步开发,而今进行支持性的维护工作。也就是说,NGPT已经放弃与NPTL竞争下一代Linux POSIX线程库标准。
3.其他高效线程机制
此处不能不提到Scheduler Activations。这个1991年在ACM上发表的多线程内核结构影响了很多多线程内核的设计,其中包括Mach3.0、NetBSD和商业版本Digital Unix(现在叫Compaq True64 Unix)。它的实质是在使用用户级线程调度的同时,尽可能地减少用户级对核心的系统调用请求,而后者往往是运行开销的重要来源。采用这种结构的线程机制,实际上是结合了用户级线程的灵活高效和核心级线程的实用性,因此,包括Linux、FreeBSD在内的多个开放源码操作系统设计社区都在进行相关研究,力图在本系统中实现Scheduler Activations。
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。
SMP:是Symmetric Multi Processing的简称,意为对称多处理系统,内有许多紧耦合多处理器,这种系统的最大特点就是共享所有资源。另外与之相对立的标准是MPP (Massively Parallel Processing),意为大规模并行处理系统,这样的系统是由许多松耦合处理单元组成的,要注意的是这里指的是处理单元而不是处理器。每个单元内的CPU都有自己私有的资源,如总线、内存、硬盘等。在每个单元内都有操作系统和管理数据库的实例复本。这种结构最大的特点在于不共享资源。
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。
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。
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。
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。
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有的资源从其主体剥离出来,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一的clone()系统调用接口,用不同的参数指定创建轻量进程还是普通进程。在内核中,clone()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fork()、vfork()系统调用的最终实现。
在do_fork()中,不同的clone_flags将导致不同的行为,对于LinuxThreads,它使用(CLONE_VM | CLONE_FS | CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND)参数来调用clone()创建"线程",表示共享内存、共享文件系统访问计数、共享文件描述符表,以及共享信号处理方式。
1.CLONE_VM
do_fork()需要调用copy_mm()来设置task_struct中的mm和active_mm项,这两个mm_struct数据与进程所关联的内存空间相对应。如果do_fork()时指定了CLONE_VM开关,copy_mm()将把新的task_struct中的mm和active_mm设置成与current的相同,同时提高该mm_struct的使用者数目(mm_struct::mm_users)。也就是说,轻量级进程与父进程共享内存地址空间
2.CLONE_FS
task_struct中利用fs(struct fs_struct *)记录了进程所在文件系统的根目录和当前目录信息,do_fork()时调用copy_fs()复制了这个结构;而对于轻量级进程则仅增加fs->count计数,与父进程共享相同的fs_struct。也就是说,轻量级进程没有独立的文件系统相关的信息,进程中任何一个线程改变当前目录、根目录等信息都将直接影响到其他线程。
3.CLONE_FILES
一个进程可能打开了一些文件,在进程结构task_struct中利用files(struct files_struct *)来保存进程打开的文件结构(struct file)信息,do_fork()中调用了copy_files()来处理这个进程属性;轻量级进程与父进程是共享该结构的,copy_files()时仅增加files->count计数。这一共享使得任何线程都能访问进程所维护的打开文件,对它们的操作会直接反映到进程中的其他线程。
4.CLONE_SIGHAND
每一个Linux进程都可以自行定义对信号的处理方式,在task_struct中的sig(struct signal_struct)中使用一个struct k_sigaction结构的数组来保存这个配置信息,do_fork()中的copy_sighand()负责复制该信息;轻量级进程不进行复制,而仅仅增加signal_struct::count计数,与父进程共享该结构。也就是说,子进程与父进程的信号处理方式完全相同,而且可以相互更改。
对于SMP系统,所有的进程fork出来后,都被分配到与父进程相同的cpu上,一直到该进程被调度时才会进行cpu选择。
尽管Linux支持轻量级进程,但并不能说它就支持核心级线程,因为Linux的"线程"和"进程"实际上处于一个调度层次,共享一个进程标识符空间,这种限制使得不可能在Linux上实现完全意义上的POSIX线程机制,因此众多的Linux线程库实现尝试都只能尽可能实现POSIX的绝大部分语义,并在功能上尽可能逼近。
LinuxThreads是目前Linux平台上使用最为广泛的线程库,由Xavier Leroy (Xavier.Leroy@inria.fr)负责开发完成,并已绑定在GLIBC中发行。它所实现的就是基于核心轻量级进程的"一对一"线程模型,一个线程实体对应一个核心轻量级进程,而线程之间的管理在核外函数库中实现。
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LinuxThreads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。
缺点如下:
1)进程id问题
2)信号处理问题
3)线程总数问题
4)管理线程问题
5)同步问题
6)其他POSIX兼容性问题
7)实时性问题
下一代线程库
1.NPTL
NPTL的设计目标归纳可归纳为以下几点:
POSIX兼容性
SMP结构的利用
低启动开销
低链接开销(即不使用线程的程序不应当受线程库的影响)
与LinuxThreads应用的二进制兼容性
软硬件的可扩展能力
多体系结构支持
NUMA支持
与C++集成
在技术实现上,NPTL仍然采用1:1的线程模型,并配合glibc和最新的Linux Kernel2.5.x开发版在信号处理、线程同步、存储管理等多方面进行了优化。和LinuxThreads不同,NPTL没有使用管理线程,核心线程的管理直接放在核内进行,这也带了性能的优化。
主要是因为核心的问题,NPTL仍然不是100%POSIX兼容的,但就性能而言相对LinuxThreads已经有很大程度上的改进了。
2.NGPT
IBM的开放源码项目NGPT在2003年1月10日推出了稳定的2.2.0版,但相关的文档工作还差很多。就目前所知,NGPT是基于GNU Pth(GNU Portable Threads)项目而实现的M:N模型,而GNU Pth是一个经典的用户级线程库实现。
按照2003年3月NGPT官方网站上的通知,NGPT考虑到NPTL日益广泛地为人所接受,为避免不同的线程库版本引起的混乱,今后将不再进行进一步开发,而今进行支持性的维护工作。也就是说,NGPT已经放弃与NPTL竞争下一代Linux POSIX线程库标准。
3.其他高效线程机制
此处不能不提到Scheduler Activations。这个1991年在ACM上发表的多线程内核结构影响了很多多线程内核的设计,其中包括Mach3.0、NetBSD和商业版本Digital Unix(现在叫Compaq True64 Unix)。它的实质是在使用用户级线程调度的同时,尽可能地减少用户级对核心的系统调用请求,而后者往往是运行开销的重要来源。采用这种结构的线程机制,实际上是结合了用户级线程的灵活高效和核心级线程的实用性,因此,包括Linux、FreeBSD在内的多个开放源码操作系统设计社区都在进行相关研究,力图在本系统中实现Scheduler Activations。
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