Linux 线程实现机制分析

作者：杨沙洲
自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与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 LinuxThreads 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。一. 基础知识：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。

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有多个线程，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，正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来实现，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，同时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。在目前的商用系统中，通常都将两者结合起来使用，既提供核心线程以满足smp系统的需要，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要求前者的支持，而用户级线程模型则不一定基于后者实现。这种差异，正如前所述，是两种分类方式的标准不同带来的。

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。绝大多数商业操作系统（如Digital Unix、Solaris、Irix）都采用的这种能够完全实现POSIX1003.1c标准的线程模型。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。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用于多处理器系统，而这个需求正变得越来越大，因此，在现实中，纯用户级线程的实现，除算法研究目的以外，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。

二.Linux 2.4内核中的轻量进程实现

最初的进程定义都包含程序、资源及其执行三部分，其中程序通常指代码，资源在操作系统层面上通常包括内存资源、IO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。在线程概念出现以前，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。Linux内核在 2.0.x版本就已经实现了轻量进程，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：

<linux-2.4.20/kernel/fork.c>
int do_fork(unsigned long clone_flags, unsigned long stack_start,
struct pt_regs *regs, unsigned long stack_size)

其中的clone_flags取自以下宏的"或"值：

<linux-2.4.20/include/linux/sched.h>
#define CSIGNAL            0x000000ff      /* signal mask to be sent at exit */
#define CLONE_VM        0x00000100    /* set if VM shared between processes */
#define CLONE_FS        0x00000200     /* set if fs info shared between processes */
#define CLONE_FILES     0x00000400    /* set if open files shared between processes */
#define CLONE_SIGHAND    0x00000800    /* set if signal handlers and blocked signals shared */
#define CLONE_PID        0x00001000    /* set if pid shared */
#define CLONE_PTRACE    0x00002000    /* set if we want to let tracing continue on the child too */
#define CLONE_VFORK    0x00004000        /* set if the parent wants the child to wake it up on mm_release */
#define CLONE_PARENT    0x00008000    /* set if we want to have the same parent as the cloner */
#define CLONE_THREAD    0x00010000    /* Same thread group? */
#define CLONE_NEWNS    0x00020000        /* New namespace group? */
#define CLONE_SIGNAL     (CLONE_SIGHAND CLONE_THREAD)

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