嵌入式Linux系统编程——你真的懂线程吗，linux大神进修课!

所有学嵌入式Linux系统的看过来了，以下内容是每一位想学习Linux嵌入式系统想要了解的内容，真的很想要分享给大家！ 本文分享的内容主要如下几个方面：（很难找到的精品资料，建议先转发到主页以后再看）

51 多线程理论

52 线程操作

53 进程和线程

线程的创建

使用互斥体保护 job-queue 队列

5.1.1 多线程

多线程是指操作系统支持在一个进程中执行多个线程的能力。每个进程中只有一个线程在执行的传统方法(还没有明确线程的概念)称为单线程方法(single-threaded approach)。

图 5-1 左半部分的两排都是单线程方法。MS-DOS 是一个支持单用户进程和单线程的操作系统例子。其他操作系统，如各种版本的 UNIX，支持多用户进程，但只支持每个进程一个线程。图 3-17 的右半部分描述了多线程方法。Java 运行环境是单进程多线程的一个例子。本节所关心的是使用多进程，且每个进程支持多线程的情况 Windows、Solaris、Mach 和 0S／2 等都采用了这种方法。

本节给出一个对多线程的通用描述，本章后面的部分将讨论Windows、Solaris 和 Linux 中的相关细节。

在多线程环境中，进程被定义成资源分配的单位和保护的单位。与进程相关联的有：

? 存放进程映像的虚拟地址空间。

? 受保护的访问处理器、其他进程(用于进程间通信)、文件和 I/0 资源(设备和通道)。

一个进程中，可能有一个或多个线程，每个线程有：

? 线程执行状态(运行、就绪等)。

? 在未运行时保存的线程上下文；可以把线程看成是进程中一个独立的程序计数器在操作。

? 一个执行栈。

? 用于每个线程局部变量的静态存储空间。

? 对所属进程的内存和资源的访问，并与该进程中的其他线程共享这些资源。

图 5-2 从进程管理的角度说明了线程和进程的区别。在单线程进程模型中(也就是说，并没有清楚明确的线程概念)，进程的表示包括它的进程控制块和用户地址空间，以及在进程执行中管理调用/返回行为的用户栈和内核栈。当进程正在运行时，处理器寄存器将被该进程所控制；当进程不运行时，这些处理器寄存器中的内容将被保存。在多线程环境中，仍然有与进程相关联的进程控制块和用户地址空间，但是每个线程都有一个独立的栈，还有独立的控制块用于包含寄存器值、优先级和其他与线程相关的状态信息。

因此，进程中的所有线程共享该进程的状态和资源，它们驻留在同一块地址空间中，

并且可以访问到相同的数据。当一个线程改变了存储器中的一个数据项时，其他线程在

访问这一数据项时能够看到变化后的结果。如果一个线程为读操作打开一个文件，那么

同一个进程中的其他线程也能够从这个文件中读取数据。从性能比较可以看出线程的重

要优点如下：

? 在一个已有进程中创建一个新线程比创建一个全新进程所需的时间要少许多。Mach开发者的研究表明，其线程创建要比在 UNIX 中进程创建快 l0 倍。

? 终止一个线程比终止一个进程花费的时间少。

? 同一进程内线程问切换比进程间切换花费的时间少。

? 线程提高了不同的执行程序间通信的效率。在大多数操作系统中，独立进程问的通信需要内核的介入，以提供保护和通信所需要的机制。但是，由于在同一个进程中的线程共享内存和文件，它们无需调用内核就可以互相通信。

因此，如果应用程序或函数应该被实现为一组相关联的执行单位时，那么用一组线程比用一组独立的进程更有效。

使用线程的一个应用程序例子是文件服务器。当每个新文件请求到达时，则为文件管理程序产生一个新线程。由于服务器将会处理到很多请求，所以将会在短期内创建和销毁许多线程。如果服务器运行在多处理器机器上，那么在同一个进程中的多个线程就可以同时在不同的处理器上执行。此外，由于文件服务程序中的进程或线程必须共享文件数据，因此需要协调它们的活动，此时使用线程和共享存储空间比使用进程和信息传递要快。

在单处理器中，对于简化在逻辑上完成不同功能的程序，构造线程有时也是很有用的。

[LETW88]给出了在单用户多处理系统中使用线程的四个例子-：

? 前台和后台操作：例如，在电子表格程序中，一个线程可以显示菜单并读取用户输入，而另一个线程执行用户命令并更新电子表格。这种方案允许程序在前一条命令完成前提示输入下一条命令，因而常常会使用户感觉到应用程序的响应速度有所提高。

? 异步处理：程序中的异步部分可以用线程实现。例如，为避免掉电带来的损失，往往把文字处理器设计成每隔一分钟将随机存取存储器(RAM)缓冲区中的数据写入磁盘一次。可以创建一个线程，其任务是周期性地进行备份，并且直接由操作系统调度该线程；这样，在主程序中就不需要特别的代码来提供时间检查或者协调输入和输出。

? 加速执行：一个多线程进程在计算这批数据的同时可以从设备读取下一批数据。在多处理器系统中；同一个进程中的多个线程可以同时执行。这样，即便一个线程在读取数据时由于 I/O 操作被阻塞，另外一个线程仍然可以继续运行。

? 模块化程序结构：涉及到多种活动、多种资源和多个输入输出目标的程序更易于用线程设计和实现。

在支持线程的操作系统中，调度和分派是在线程基础上完成的；因此大多数与执行相关的信息可以保存在线程级的数据结构中。但是，有些活动影响着进程中的所有线程，操作系统必须在进程一级对它们进行管理。挂起涉及到把一个进程的地址空间换出主存并为其他进程的地址空间腾出位置。因为一个进程中的所有线程共享同一个地址空间，所以它们都会同时被挂起。类似地，进程的终止会导致进程中所有线程的终止。

5.1.2 线程功能特性

和进程一样，线程具有执行状态，且可以与另一个线程同步。下面依次考虑线程两方面的功能特性。

1 、线程状态

和进程一样，线程的主要状态有运行态、就绪态和阻塞态。一般来说，挂起态对线程没有什么意义，这是由于此类状态是一个进程级的概念。特别地，如果一个进程被换出，由于它的所有线程都共享该进程的地址空间，因此它们必须都被换出。

与线程状态变化相关的有四种基本操作[ANDE97]：

? 派生：在典型情况下，当产生一个新进程时，同时也为该进程产生了一个线程。随后，进程中的线程可以在同一个进程中产生另一个线程，并为新线程提供指令指针和参数；新线程拥有自己的寄存器上下文和栈空间，被放置在就绪队列中。

? 阻塞 ：当线程需要等待一个事件时，它将被阻塞(保存它的用户寄存器、程序计数器和栈指针)，此时处理器转而执行另一个处于同一进程中或不同进程中的就绪线程。

? 解除阻塞：当阻塞一个线程的事件发生时，该线程被转移到就绪队列中。

? 结束：当一个线程完成时，其寄存器上下文和栈都被释放。

一个重要的问题是，一个线程的阻塞是否会导致整个进程的阻塞。换言之，如果进程中的一个线程被阻塞，这是否会阻止进程中其他线程的运行，即使这些线程处于就绪状态? 显然，如果一个被阻塞的线程阻塞了整个进程，就会丧失线程的某些灵活性和能力。

随后会在讨论用户级线程和内核级线程中再回到这个问题，但现在先考虑一下线程不会阻塞整个进程的情况下的性能获益。图 5-3(基于[KLEl96]中的图)显示了一个执行了两个远程过程调用(RPC)的程序，这两个调用分别涉及两个不同的主机，用于获得一个组合的结果。

在单线程程序中，其结果是按顺序获得的，因此程序必须依次等待来自每个服务器的响应。

重写这个程序，为每个 RPC 使用一个独立的线程，可以使速度得到实质性的提高。注意，如果这个程序在单处理器上运行，那么必须顺序地产生请求并且顺序地处理结果，但是程序可以同时等待两个回答。

在单处理器中，多道程序设计使得在多个进程中的多个线程可以交替执行。在图 5-4 所示的例子中，两个进程中的三个线程在处理器中交替执行。在当前正在运行的线程阻塞时或者当时间片用完时，执行传递到另一个线程。

2、线程同步