POSIX线程

POSIX（Portable Operating System Interface Threads，Pthread）是基于POSIX标准的线程编程接口，它使程序能够在多处理器或多核系统上并行处理多个任务，有效地提高了执行效率和系统响应速度。与单线程应用程序相比，POSIX线程支持更高效的资源共享和任务并行性，其强大的可移植性允许跨平台应用程序并易于在不同操作系统之间移植。

POSIX线程经历了一个重要的发展阶段。最初，POSIX标准作为统一UNIX系统中多线程的国际标准，旨在提供一种跨平台的线程支持方案。随后，Linux系统使用LinuxThreads来实现线程管理，但这种方案在信号处理和线程同步方面存在局限性。为了解决这些问题并进一步提高性能和标准之间的兼容性，开发人员后来引入了NPTL（原生POSIX线程库）。NPTL不仅显著提高了性能，而且在遵循POSIX标准方面更加严格，成为GNU C库的核心组件，极大地优化了Linux系统的多线程处理能力。

POSIX线程管理涉及精细的属性设置，包括优先级调整、堆栈大小控制、线程调度、线程同步和互斥。在这些功能的支持下，POSIX线程可以广泛应用于各种需要高实时性的领域，例如实时测量设备的协同操作和自动处理、GPS实时数据处理、超声数据成像和实时采集。与微软的Win32线程相比，POSIX线程遵守国际开放标准，具有更高的可用性和可移植性。与Java线程相比，它在底层提供了更精细的线程控制，特别适合C和C++环境，满足了高实时性的需求。

POSIX标准的起源

1985年，IEEE着手为类Unix系统制定统一的接口标准。最初，项目组考虑使用“IEEEIX”作为标准名称，但这一名称被认为难以普及，可能会引起混淆。这时，理查德·斯托尔曼（Richard Stallman）提议使用“POSIX”作为标准名称。他将“便携操作系统”的首字母与后缀“ix”结合起来，创造了“POSIX”这个易于发音和记忆的名称。斯托曼的提议很快被IEEE委员会采纳，这避免了标准可能无意中升级竞争对手美国电话电报公司的Unix系统的问题。

POSIX线程技术的发展和重点项目

1996年，Xavier Leroy在Linux系统中引入了LinuxThreads库，这是在Linux系统中支持内核级线程的首次尝试。LinuxThreads可以利用克隆系统调用创建一个共享父进程地址空间的新进程，实现线程的基本功能。然而，这种实现在信号处理、调度和进程间同步原语方面与POSIX线程标准存在明显的兼容性问题。这些限制阻碍了Linux在多线程管理方面的进一步发展，特别是其在企业应用程序中的广泛应用。

为了解决Linux线程的问题，NGPT（下一代POSIX线程）项目于1998年启动。NGPT是由包括IBM在内的几个开发团队开发的，目标是全面改革Linux中的POSIX线程实现。与此同时，Red Hat的开发人员还启动了NPTL（Native POSIX Thread Library）项目，计划集成NGPT和LinuxThreads的优势和特性。这两个项目在2002年密切合作，以整合各自的技术优势。

2003年，NPTL在Red Hat Linux 9中正式发布，并从Linux 2.6版开始包含在Linux内核中。NPTL解决了以前的线程模型无法抢占和放弃系统资源的问题，显著提高了POSIX标准的兼容性和系统性能。NPTL的成功标志着POSIX线程在Linux中实现的重大突破。该技术已成为GNU C库的核心组件，极大地提高了Linux系统的多线程处理能力。

开发其他工具

随着NPTL的普及，社区也开发了一些辅助工具，如2005年发布的POSIX线程跟踪工具（PTT）和open POSIX测试套件（OPTS）。这些工具支持Linux中多线程应用程序的开发和调试，进一步推动了多线程技术在Linux平台上的应用和发展。

POSIX线程模型定义了在操作系统或运行时环境中如何创建、调度、管理和终止线程。在操作系统中，线程模型分为用户线程模型、内核线程模型和两级线程模型。

用户线程模型：在POSIX用户线程模型中，线程管理操作完全在用户空间中进行。线程的调度和管理不需要操作系统内核的直接干预，从而减少了上下文切换的开销，提高了运行效率。在该模型中，由于操作系统内核将这些线程视为单个执行实体，因此一个线程的阻塞将影响同一进程中的所有线程。

内核线程模型：在POSIX内核线程模型下，每个线程都由操作系统内核直接管理和调度。内核可以在不同的处理器内核上并行调度线程，这使得线程可以更好地利用多核处理器的优势。内核级线程支持真正的并发执行，一个线程的阻塞不会影响进程中的其他线程。这种模型需要通过系统调用与内核进行交互，这将消耗更多资源，并且需要更长时间来创建和管理线程。

两级线程模型：在POSIX模型中，两级线程模型结合了用户线程和内核线程的优点，提供了灵活的线程管理策略。在这个模型中，线程可以映射到一个或多个内核线程。这种映射策略允许应用程序根据需要调整线程的并发级别，同时可以避免单个线程阻塞整个进程的问题。

线程的生命周期通常包括几个阶段:创建、开始、执行、阻塞、终止和恢复。

创建:当调用pthread_create函数创建新线程时，它确保新线程已创建并在返回前处于就绪状态。也就是说，尽管pthread_create将在新线程准备就绪后返回，但新线程的实际执行开始时间取决于操作系统的调度策略。因此，新线程可能在pthread_create函数返回之前开始执行，也可能在函数返回之后开始执行，具体取决于操作系统的调度决策。

启动:一个线程通过pthread_create创建并执行一个启动函数。在初始线程中，线程的“启动函数（main）”是从程序外部调用的。应该用pthread_exit终止初始线程，以允许进程中的其他线程继续运行。初始线程的堆栈大小与其他线程不同，这可能会受到更多限制，并且堆栈溢出会导致错误。

运行和阻塞:线程在其生命周期中主要经历三种状态:就绪、运行和阻塞。新创建或未阻塞的线程处于就绪状态，等待处理器分配。当处理器选择一个线程来执行时，它就变成了运行状态。线程通过等待资源（如互斥体）、条件变量、信号或完成I/O操作而进入阻塞状态。线程从阻塞状态释放后，它将再次进入就绪状态，并可能立即执行或等待处理器再次可用。

终止:线程通过从启动函数返回或调用pthread_exit来终止。如果设置了特定于线程的数据，将调用相应的析构函数。

回收:如果线程在创建时被设置为分离状态，或者被pthread_detach调用，当它终止时将立即被回收。未分离的线程终止后，需要通过pthread_detach或pthread_join进行回收。线程回收将释放所有系统或进程资源，包括线程返回值的存储空间、堆栈和寄存器状态的内存等。这些资源不再被其他线程访问。

线程管理在现代多线程应用中起着关键作用。通过并行处理任务，它可以显著提高程序效率并优化多核处理器资源的使用。允许在同一进程中共享内存和资源，提高数据交换和通信的效率，并增强应用程序的响应能力。

线程管理可以分为线程创建、线程终止和线程属性。

创建线程：创建POSIX线程需要调用pthread_create（）函数，传入一个线程标识符指针、一个线程属性指针（可以为空以使用默认属性）、一个线程函数指针和一个函数参数。函数创建成功时结果返回0，失败时返回错误号；线程函数完成后，它通过返回void* value结束，或者可以被取消，允许它通过pthread_join（）捕获其退出状态。

线程属性：设置线程优先级

这种优先级配置不仅提高了系统处理关键任务的能力，还优化了整体运行效率和响应时间，这是实时系统编程中的重要功能。

在POSIX线程规范中，线程优先级允许用户指定线程的执行顺序。用户可以通过调用sched_get_priority_min和sched_get_priority_max来查询系统支持的实时优先级范围，这通常适用于SCHED_FIFO（先进先出）和SCHED_RR（轮询调度）调度策略。

例如，在Linux中，实时优先级的范围通常是从1到99。要设置线程优先级，用户需要选择一个值，并使用sched_setscheduler系统调用将其应用于线程或进程。如果pid参数为0，则表示修改调用进程的调度属性。优先级配置增强了系统处理关键任务的能力，提高了运行效率和响应时间，对于实时系统编程非常重要。

控制线程堆栈大小：在POSIX线程中，合理设置线程堆栈大小对于优化程序性能和内存管理非常重要。

在Linux x86-32位系统中，线程的默认堆栈大小为2MB；在64位IA-64架构中，默认大小为32MB。这些默认值通常满足大多数应用程序的一般要求。开发人员可以通过pthread_attr_setstacksize（）函数自定义线程堆栈大小，该函数需要两个参数:线程属性对象的指针和要设置的堆栈大小（单位:字节）。设置后，可以使用pthread_attr_getstacksize（）函数检查堆栈大小是否符合预期。设置堆栈大小时，请确保它不低于系统的最小堆栈限制。系统支持的堆栈大小范围可以通过调用sysconf（SC _ THREAD _ STACK _ MIN）来确认。

可连接状态（可接合状态）：在POSIX线程中，线程连接是一个进程，其中一个线程通过pthread_join（）函数暂停执行，直到另一个特定线程结束。线程连接保证了在线程结束时可以及时回收资源，同时防止了因资源未回收而导致的僵尸线程现象。线程连接是线程同步的一个重要方面，它确保一个线程完成工作后，其他线程可以继续安全执行，实现有效的线程间协调和资源利用。这对于保持程序的运行效率和系统资源的整体管理非常重要。

分离状态：在POSIX线程中，默认情况下线程是可连接的。可以通过pthread_detach（）函数设置线程分离，以便线程结束时不会留下任何要处理的资源。当线程处于分离状态时，它会在执行后自动清理并释放所有占用的资源，而无需其他线程的干预。一旦线程被设置为分离状态，任何对其使用pthread_join（）的尝试都将导致失败。线程可以在其生命周期的任何阶段设置为分离状态。一旦设置，它将在任务完成后立即释放所有资源。它消除了对pthread_join（）的依赖，并使资源恢复更快。

线程ID：在POSIX线程中，每个线程都有一个唯一的标识符，称为线程ID。线程ID可用于查询特定线程的状态，或管理线程之间的关系和数据交换。线程的创建和线程ID的获取通常由pthread_create函数实现，该函数填充一个pthread_t类型的变量，该变量唯一标识进程中的一个线程。同时，线程ID可以帮助开发人员实现特定线程的特定操作，例如调整优先级和设置亲和力。

POSIX线程ID与特定于Linux的系统调用gettid（）返回的线程ID不同。POSIX线程ID由线程库实现，负责分配和维护。gettid（）返回的线程id是内核（Kemel）分配的一个数字，它类似于ID（进程ID。

CPU关联性：在POSIX线程中，CPU亲和力是指将线程绑定到特定CPU内核的能力，以优化线程的执行效率和系统性能。CPU affinity通过减少线程在不同内核之间的切换来降低缓存失效的可能性，从而提高CPU缓存的利用率。可以通过sched_setaffinity和sched_getaffinity的系统调用来设置和查询此绑定。

终止线程：在POSIX thread中，通常通过执行函数中的pthread_exit（）或从函数中返回void*值来终止线程，这与main函数（main）以return结束的方式类似。此外，该线程还可以通过pthread_cancel（）被其他线程强制终止，但需要注意的是，使用pthread_cancel（）可能会导致线程无法执行清理代码，因此它可能不会释放分配的资源或执行必要的状态更新。线程的终止将触发资源的释放，并允许其他线程通过pthread_join（）捕获它们的退出状态。因此，一个线程终止后，其他线程可以继续运行，但进程级的资源不会自动释放，需要通过适当的同步和管理操作手动回收资源。

线程终止后，其线程ID和返回值将被保留。如果线程被取消，其返回值为PTHREAD_CANCELED。您可以回收已终止线程的返回值并分离资源，以避免使用线程堆栈地址作为返回值来避免数据覆盖。未分离的线程可以在终止后通过pthread_join进行连接。像UNIX这样的僵尸进程必须显式加入才能恢复它们的资源。

线程调度是操作系统用来管理多个线程的执行顺序的一种机制。它允许设置调度策略来决定应该首先执行哪个线程。

调度策略：在Linux内核中，调度策略是指内核用来决定应该执行哪个线程的方法。这些策略包括完全公平调度器（CFS）和实时调度策略，旨在平衡系统性能和响应时间，确保高优先级任务获得足够的CPU时间，同时保持系统的整体效率。调度策略对于操作系统非常重要，因为它们直接影响系统资源的分配和任务的执行顺序。POSIX定义了两种实时调度策略:SCHED_FIFO（先进先出）和SCHED_RR（轮询）。这些策略确保在这些策略下运行的进程的优先级始终高于标准分时策略下的进程（由常量SCHED_OTHER标识）。

优先级反转问题：优先级反转是指低优先级线程占用高优先级线程所需的资源，导致高优先级线程被迫等待的情况。在这样的系统中，每个CPU都有一个单独的运行队列，进程只在每个CPU的运行队列中按优先级排序。这个问题可能会严重影响系统的响应时间和性能。Linux内核通过实现优先级继承等机制来缓解优先级反转的影响，以确保系统能够有效地管理线程之间的资源竞争。实时应用程序通常使用CPU affinity）API来避免这种调度行为可能导致的问题。例如，在四处理器系统中，所有非关键进程都可以隔离在单个CPU上，而其他三个CPU则保留给应用程序。

线程本地存储：在POSIX线程中，线程本地存储（TLS）允许线程拥有自己独立的数据副本。即使同一程序中的不同线程访问同一个全局变量，每个线程都有该变量的私有副本。这对于避免多线程环境中全局变量的同步问题非常有用。线程本地存储由一组API函数实现。其中，pthread_key_create函数用于创建特殊密钥。这些键使每个线程能够绑定和存储自己唯一的数据值。这些键及其相关数据在程序启动或线程创建时被初始化，每个键可以指定一个析构函数，以便在线程结束时自动执行数据清理。可以调用Pthread_setspecific来绑定值和特定的键，并且可以通过pthread_getspecific检索绑定的数据。如果不再需要某个密钥，请调用pthread_key_delete函数销毁该密钥，这样可以避免将来出现潜在问题。根据POSIX标准，至少可以同时创建和使用128个这样的密钥。

线程池：线程池是POSIX线程中预先创建和管理的线程的集合，用于限制并发线程的数量并重用线程以降低线程创建和销毁的成本。应用程序通过创建几个线程并让它们执行任务队列中的任务来实现线程池功能。线程池通常与工作队列结合使用，工作队列管理要处理的任务，线程池中的线程负责执行这些任务。这种组合方法优化了任务的分配和执行，提高了应用程序的性能和响应速度。

实时应用程序是指需要及时响应输入的应用程序。通常，该输入来自外部传感器或专用输入设备，输出采取控制某些外部硬件的形式。具有实时响应要求的应用示例包括自动装配线、银行自动取款机和飞机导航系统。

POSIX线程

POSIX线程在实时应用中的应用主要关注系统在指定的截止时间内对输入事件的可靠响应。这种需求涉及从硬件输入设备获取数据和控制外部硬件，这需要操作系统的支持以确保及时的任务调度和执行。尽管传统的UNIX系统不是为实时应用程序设计的，但Linux的实时变体和最近的内核改进正在增加对此类应用程序的本机支持。

计时器和时间管理:计时器使流程能够安排未来某个时间的通知。setitimer（）系统调用可以建立一个在未来某个时间点到期的计时器，并可以选择在此之后定期到期。对于周期性定时器的精度，尽管setitimer（）使用的timeval结构允许微秒级精度，但定时器的精度传统上受到软件时钟频率的限制。然而，在现代Linux内核中，高分辨率定时器提供了比软件时钟频率更高的精度。

资源锁定:文件锁定通常与文件I/O结合使用，但它也可以用作更通用的同步技术。Linux和许多其他UNIX实现还允许fcntl（）记录锁成为强制性的，这意味着将检查任何文件I/O操作，以确保它与文件上其他进程持有的锁兼容。

中断管理:在处理SIGGTSTP信号时，正确的方法是在信号处理程序中触发更多的SIGGTSTP信号来停止进程。如果信号处理程序需要在重新建立处理程序后执行一些其他操作（例如保存或恢复全局变量中的值），但在返回之前，它需要再次阻塞SIGTSTP信号。

最小化延迟和抖动:尽管定时器精度受到软件时钟的限制，但在现代Linux内核上，高分辨率定时器不受此限制，它可以达到硬件允许的最高精度，通常达到微秒级。