Question

linux系统中线程同步实现机制有哪些

Answer 1

LinuxThread的线程机制

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。

1.线程描述数据结构及实现限制

LinuxThreads定义了一个struct _pthread_descr_struct数据结构来描述线程，并使用全局数组变量 __pthread_handles来描述和引用进程所辖线程。在__pthread_handles中的前两项，LinuxThreads定义了两个全 局的系统线程：__pthread_initial_thread和__pthread_manager_thread，并用 __pthread_main_thread表征__pthread_manager_thread的父线程（初始为 __pthread_initial_thread）。

struct _pthread_descr_struct是一个双环链表结构，__pthread_manager_thread所在的链表仅包括它 一个元素，实际上，__pthread_manager_thread是一个特殊线程，LinuxThreads仅使用了其中的errno、p_pid、 p_priority等三个域。而__pthread_main_thread所在的链则将进程中所有用户线程串在了一起。经过一系列 pthread_create()之后形成的__pthread_handles数组将如下图所示：

图2 __pthread_handles数组结构

新创建的线程将首先在__pthread_handles数组中占据一项，然后通过数据结构中的链指针连入以__pthread_main_thread为首指针的链表中。这个链表的使用在介绍线程的创建和释放的时候将提到。

LinuxThreads遵循POSIX1003.1c标准，其中对线程库的实现进行了一些范围限制，比如进程最大线程数，线程私有数据区大小等等。在 LinuxThreads的实现中，基本遵循这些限制，但也进行了一定的改动，改动的趋势是放松或者说扩大这些限制，使编程更加方便。这些限定宏主要集中 在sysdeps/unix/sysv/linux/bits/local_lim.h（不同平台使用的文件位置不同）中，包括如下几个：

每进程的私有数据key数，POSIX定义_POSIX_THREAD_KEYS_MAX为128，LinuxThreads使用 PTHREAD_KEYS_MAX，1024；私有数据释放时允许执行的操作数，LinuxThreads与POSIX一致，定义 PTHREAD_DESTRUCTOR_ITERATIONS为4；每进程的线程数，POSIX定义为64，LinuxThreads增大到1024 （PTHREAD_THREADS_MAX）；线程运行栈最小空间大小，POSIX未指定，LinuxThreads使用 PTHREAD_STACK_MIN，16384（字节）。

2.管理线程

"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。

在一个进程空间内，管理线程与其他线程之间通过一对"管理管道（manager_pipe[2]）"来通讯，该管道在创建管理线程之前创建，在成功启动 了管理线程之后，管理管道的读端和写端分别赋给两个全局变量__pthread_manager_reader和 __pthread_manager_request，之后，每个用户线程都通过__pthread_manager_request向管理线程发请求， 但管理线程本身并没有直接使用__pthread_manager_reader，管道的读端（manager_pipe[0]）是作为__clone ()的参数之一传给管理线程的，管理线程的工作主要就是监听管道读端，并对从中取出的请求作出反应。

创建管理线程的流程如下所示：
（全局变量pthread_manager_request初值为-1）

图3 创建管理线程的流程

初始化结束后，在__pthread_manager_thread中记录了轻量级进程号以及核外分配和管理的线程id， 2*PTHREAD_THREADS_MAX+1这个数值不会与任何常规用户线程id冲突。管理线程作为pthread_create()的调用者线程的 子线程运行，而pthread_create()所创建的那个用户线程则是由管理线程来调用clone()创建，因此实际上是管理线程的子线程。（此处子 线程的概念应该当作子进程来理解。）

__pthread_manager()就是管理线程的主循环所在，在进行一系列初始化工作后，进入while(1)循环。在循环中，线程以2秒为 timeout查询（__poll()）管理管道的读端。在处理请求前，检查其父线程（也就是创建manager的主线程）是否已退出，如果已退出就退出 整个进程。如果有退出的子线程需要清理，则调用pthread_reap_children()清理。

然后才是读取管道中的请求，根据请求类型执行相应操作（switch-case）。具体的请求处理，源码中比较清楚，这里就不赘述了。

3.线程栈

在LinuxThreads中，管理线程的栈和用户线程的栈是分离的，管理线程在进程堆中通过malloc()分配一个THREAD_MANAGER_STACK_SIZE字节的区域作为自己的运行栈。

用户线程的栈分配办法随着体系结构的不同而不同，主要根据两个宏定义来区分，一个是NEED_SEPARATE_REGISTER_STACK，这个属 性仅在IA64平台上使用；另一个是FLOATING_STACK宏，在i386等少数平台上使用，此时用户线程栈由系统决定具体位置并提供保护。与此同 时，用户还可以通过线程属性结构来指定使用用户自定义的栈。因篇幅所限，这里只能分析i386平台所使用的两种栈组织方式：FLOATING_STACK 方式和用户自定义方式。

在FLOATING_STACK方式下，LinuxThreads利用mmap()从内核空间中分配8MB空间（i386系统缺省的最大栈空间大小，如 果有运行限制（rlimit），则按照运行限制设置），使用mprotect()设置其中第一页为非访问区。该8M空间的功能分配如下图：

图4 栈结构示意

低地址被保护的页面用来监测栈溢出。

对于用户指定的栈，在按照指针对界后，设置线程栈顶，并计算出栈底，不做保护，正确性由用户自己保证。

不论哪种组织方式，线程描述结构总是位于栈顶紧邻堆栈的位置。

4.线程id和进程id

每个LinuxThreads线程都同时具有线程id和进程id，其中进程id就是内核所维护的进程号，而线程id则由LinuxThreads分配和维护。