linux有沒(méi)有內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程

本文小編為大家詳細(xì)介紹“l(fā)inux有沒(méi)有內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程”，內(nèi)容詳細(xì)，步驟清晰，細(xì)節(jié)處理妥當(dāng)，希望這篇“l(fā)inux有沒(méi)有內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程”文章能幫助大家解決疑惑，下面跟著小編的思路慢慢深入，一起來(lái)學(xué)習(xí)新知識(shí)吧。

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linux有內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程，linux支持內(nèi)核級(jí)的多線(xiàn)程。Linux內(nèi)核可以看作服務(wù)進(jìn)程（管理軟硬件資源，響應(yīng)用戶(hù)進(jìn)程的各種進(jìn)程）；內(nèi)核需要多個(gè)執(zhí)行流并行，為了防止可能的阻塞，支持多線(xiàn)程。內(nèi)核線(xiàn)程就是內(nèi)核的一個(gè)分身，可以用以處理一件特定事情，內(nèi)核線(xiàn)程的調(diào)度由內(nèi)核負(fù)責(zé)，一個(gè)內(nèi)核線(xiàn)程的處于阻塞狀態(tài)時(shí)不影響其他的內(nèi)核線(xiàn)程。

線(xiàn)程通常被定義為一個(gè)進(jìn)程中代碼的不同執(zhí)行路線(xiàn)。從實(shí)現(xiàn)方式上劃分，線(xiàn)程有兩種類(lèi)型：“用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程”和“內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程”。

用戶(hù)線(xiàn)程指不需要內(nèi)核支持而在用戶(hù)程序中實(shí)現(xiàn)的線(xiàn)程，其不依賴(lài)于操作系統(tǒng)核心，應(yīng)用進(jìn)程利用線(xiàn)程庫(kù)提供創(chuàng)建、同步、調(diào)度和管理線(xiàn)程的函數(shù)來(lái)控制用戶(hù)線(xiàn)程。這種線(xiàn)程甚至在象 DOS 這樣的操作系統(tǒng)中也可實(shí)現(xiàn)，但線(xiàn)程的調(diào)度需要用戶(hù)程序完成，這有些類(lèi)似 Windows 3.x 的協(xié)作式多任務(wù)。

另外一種則需要內(nèi)核的參與，由內(nèi)核完成線(xiàn)程的調(diào)度。其依賴(lài)于操作系統(tǒng)核心，由內(nèi)核的內(nèi)部需求進(jìn)行創(chuàng)建和撤銷(xiāo)，這兩種模型各有其好處和缺點(diǎn)。

用戶(hù)線(xiàn)程不需要額外的內(nèi)核開(kāi)支，并且用戶(hù)態(tài)線(xiàn)程的實(shí)現(xiàn)方式可以被定制或修改以適應(yīng)特殊應(yīng)用的要求，但是當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程因 I/O 而處于等待狀態(tài)時(shí)，整個(gè)進(jìn)程就會(huì)被調(diào)度程序切換為等待狀態(tài)，其他線(xiàn)程得不到運(yùn)行的機(jī)會(huì)；而內(nèi)核線(xiàn)程則沒(méi)有各個(gè)限制，有利于發(fā)揮多處理器的并發(fā)優(yōu)勢(shì)，但卻占用了更多的系統(tǒng)開(kāi)支。

Windows NT和OS/2支持內(nèi)核線(xiàn)程。Linux 支持內(nèi)核級(jí)的多線(xiàn)程。

linux中的內(nèi)核級(jí)線(xiàn)

1.內(nèi)核線(xiàn)程概述

Linux內(nèi)核可以看作服務(wù)進(jìn)程（管理軟硬件資源，響應(yīng)用戶(hù)進(jìn)程的各種進(jìn)程）

內(nèi)核需要多個(gè)執(zhí)行流并行，為了防止可能的阻塞，支持多線(xiàn)程。

內(nèi)核線(xiàn)程就是內(nèi)核的一個(gè)分身，可以用以處理一件特定事情，內(nèi)核線(xiàn)程的調(diào)度由內(nèi)核負(fù)責(zé)，一個(gè)內(nèi)核線(xiàn)程的處于阻塞狀態(tài)時(shí)不影響其他的內(nèi)核線(xiàn)程。

內(nèi)核線(xiàn)程是直接由內(nèi)核本身啟動(dòng)的進(jìn)程。內(nèi)核線(xiàn)程實(shí)際上是將內(nèi)核函數(shù)委托給獨(dú)立的進(jìn)程執(zhí)行，它與內(nèi)核中的其他“進(jìn)程”并行執(zhí)行。內(nèi)核線(xiàn)程經(jīng)常被稱(chēng)之為內(nèi)核守護(hù)進(jìn)程。當(dāng)前的內(nèi)核中，內(nèi)核線(xiàn)程就負(fù)責(zé)下面的工作：

  • 周期性地將修改的內(nèi)存頁(yè)與頁(yè)來(lái)源塊設(shè)備同步

  • 實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)的事務(wù)日志

內(nèi)核線(xiàn)程由內(nèi)核創(chuàng)建，所以?xún)?nèi)核線(xiàn)程在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行，只能訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)核虛擬地址空間，不能訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)空間。

在linux所有的線(xiàn)程都當(dāng)作進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，也沒(méi)有單獨(dú)為線(xiàn)程定義調(diào)度算法以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一個(gè)進(jìn)程相當(dāng)于包含一個(gè)線(xiàn)程，就是自身，多線(xiàn)程，原本的線(xiàn)程稱(chēng)為主線(xiàn)程，他們一起構(gòu)成線(xiàn)程組。

進(jìn)程擁有自己的地址空間，所以每個(gè)進(jìn)程都有自己的頁(yè)表，而線(xiàn)程卻沒(méi)有，只能和其它線(xiàn)程共享主線(xiàn)程的地址空間和頁(yè)表

2.三個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

每個(gè)進(jìn)程或線(xiàn)程由三個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別是struct thread_info, struct task_struct 和內(nèi)核棧。

thread_info對(duì)象存放的進(jìn)程/線(xiàn)程的基本信息，它和進(jìn)程/線(xiàn)程的內(nèi)核棧存放在內(nèi)核空間里的一段2倍頁(yè)長(zhǎng)空間中。其中thread_info結(jié)構(gòu)存放在地址段的末尾，其余空間作為內(nèi)核棧。內(nèi)核使用伙伴系統(tǒng)分配這段空間。

linux有沒(méi)有內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程
struct thread_info {

	int			preempt_count;	/* 0 => preemptable, <0 => bug */

	struct task_struct	*task;		/* main task structure */
	__u32			cpu;		/* cpu */};

thread_info結(jié)構(gòu)體中有一個(gè)struct task_struct *task，task指向該線(xiàn)程或者進(jìn)程的task_struct對(duì)象，task_struct也叫做任務(wù)描述符：

struct task_struct {
	
	pid_t pid;
	
	pid_t tgid;

	void *stack;
	struct mm_struct *mm, *active_mm;
	/* filesystem information */
	struct fs_struct *fs;
	/* open file information */
	struct files_struct *files;};#define task_thread_info(task)	((struct thread_info *)(task)->stack)

  • stack：是指向進(jìn)程或者線(xiàn)程的thread_info

  • mm：對(duì)象用來(lái)管理該進(jìn)程/線(xiàn)程的頁(yè)表以及虛擬內(nèi)存區(qū)

  • active_mm：主要用于內(nèi)核線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)主內(nèi)核頁(yè)全局目錄

  • pid：每個(gè)task_struct都會(huì)有一個(gè)不同的id，就是pid

  • tgid：線(xiàn)程組領(lǐng)頭線(xiàn)程的PID，就是主線(xiàn)程的pid

linux系統(tǒng)上虛擬地址空間分為兩個(gè)部分：供用戶(hù)態(tài)程序訪(fǎng)問(wèn)的虛擬地址空間和供內(nèi)核訪(fǎng)問(wèn)的內(nèi)核空間。每當(dāng)內(nèi)核執(zhí)行上下文切換時(shí)，虛擬地址空間的用戶(hù)層部分都會(huì)切換，以便匹配運(yùn)行的進(jìn)程，內(nèi)核空間的部分是不會(huì)切換的。

3.內(nèi)核線(xiàn)程創(chuàng)建

在內(nèi)核版本linux-3.x以后，內(nèi)核線(xiàn)程的創(chuàng)建被延后執(zhí)行，并且交給名為kthreadd 2號(hào)線(xiàn)程執(zhí)行創(chuàng)建過(guò)程，但是kthreadd本身是怎么創(chuàng)建的呢？過(guò)程如下：

pid_t kernel_thread(int (*fn)(void *), void *arg, unsigned long flags)
{
	return do_fork(flags|CLONE_VM|CLONE_UNTRACED, (unsigned long)fn,
		(unsigned long)arg, NULL, NULL);
}

pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);

kthreadadd本身最終是通過(guò)do_fork實(shí)現(xiàn)的，do_fork通過(guò)傳入不同的參數(shù)，可以分別用于創(chuàng)建用戶(hù)態(tài)進(jìn)程/線(xiàn)程，內(nèi)核線(xiàn)程等。當(dāng)kthreadadd被創(chuàng)建以后，內(nèi)核線(xiàn)程的創(chuàng)建交給它實(shí)現(xiàn)。

內(nèi)核線(xiàn)程的創(chuàng)建分為創(chuàng)建和啟動(dòng)兩個(gè)部分，kthread_run作為統(tǒng)一的接口，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)功能：

#define kthread_run(threadfn, data, namefmt, ...)			   \
({									   \
	struct task_struct *__k						   \
		= kthread_create(threadfn, data, namefmt, ## __VA_ARGS__); \
	if (!IS_ERR(__k))						   \
		wake_up_process(__k);					   \
	__k;								   \
})

#define kthread_create(threadfn, data, namefmt, arg...) \
	kthread_create_on_node(threadfn, data, -1, namefmt, ##arg)


struct task_struct *kthread_create_on_node(int (*threadfn)(void *data),
					   void *data, int node,
					   const char namefmt[],
					   ...)
{
	DECLARE_COMPLETION_ONSTACK(done);
	struct task_struct *task;

	/*分配kthread_create_info空間*/
	struct kthread_create_info *create = kmalloc(sizeof(*create),
						     GFP_KERNEL);

	if (!create)
		return ERR_PTR(-ENOMEM);
	create->threadfn = threadfn;
	create->data = data;
	create->node = node;
	create->done = &done;

	/*加入到kthread_creta_list列表中，等待ktherad_add中斷線(xiàn)程去創(chuàng)建改線(xiàn)程*/
	spin_lock(&kthread_create_lock);
	list_add_tail(&create->list, &kthread_create_list);
	spin_unlock(&kthread_create_lock);

	wake_up_process(kthreadd_task);
	/*
	* Wait for completion in killable state, for I might be chosen by
	* the OOM killer while kthreadd is trying to allocate memory for
	* new kernel thread.
	*/
	if (unlikely(wait_for_completion_killable(&done))) {
		/*
		* If I was SIGKILLed before kthreadd (or new kernel thread)
		* calls complete(), leave the cleanup of this structure to
		* that thread.
		*/
		if (xchg(&create->done, NULL))
			return ERR_PTR(-EINTR);
		/*
		* kthreadd (or new kernel thread) will call complete()
		* shortly.
		*/
		wait_for_completion(&done);
	}
	task = create->result;
	.
	.
	.
	kfree(create);
	return task;
}

kthread_create_on_node函數(shù)中：

  • 首先利用kmalloc分配kthread_create_info變量create，利用函數(shù)參數(shù)初始化create

  • 將create加入kthread_create_list鏈表中，然后喚醒kthreadd內(nèi)核線(xiàn)程創(chuàng)建當(dāng)前線(xiàn)程

  • 喚醒kthreadd后，利用completion等待內(nèi)核線(xiàn)程創(chuàng)建完成，completion完成后，釋放create空間

下面來(lái)看下kthreadd的處理過(guò)程：

int kthreadd(void *unused)
{
	struct task_struct *tsk = current;

	/* Setup a clean context for our children to inherit. */
	set_task_comm(tsk, "kthreadd");
	ignore_signals(tsk);
	set_cpus_allowed_ptr(tsk, cpu_all_mask);
	set_mems_allowed(node_states[N_MEMORY]);

	current->flags |= PF_NOFREEZE;
	
	for (;;) {
		set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
		if (list_empty(&kthread_create_list))
			schedule();
		__set_current_state(TASK_RUNNING);

		spin_lock(&kthread_create_lock);
		while (!list_empty(&kthread_create_list)) {
			struct kthread_create_info *create;

			create = list_entry(kthread_create_list.next,
					    struct kthread_create_info, list);
			list_del_init(&create->list);
			spin_unlock(&kthread_create_lock);

			create_kthread(create);

			spin_lock(&kthread_create_lock);
		}
		spin_unlock(&kthread_create_lock);
	}

	return 0;
}

kthreadd利用for(;;)一直駐留在內(nèi)存中運(yùn)行：主要過(guò)程如下：

  • 檢查kthread_create_list為空時(shí)，kthreadd讓出cpu的執(zhí)行權(quán)

  • kthread_create_list不為空時(shí)，利用while循環(huán)遍歷kthread_create_list鏈表

  • 每取下一個(gè)鏈表節(jié)點(diǎn)后調(diào)用create_kthread，創(chuàng)建內(nèi)核線(xiàn)程

static void create_kthread(struct kthread_create_info *create)
{
	int pid;


	/* We want our own signal handler (we take no signals by default). */
	pid = kernel_thread(kthread, create, CLONE_FS | CLONE_FILES | SIGCHLD);
	if (pid < 0) {
		/* If user was SIGKILLed, I release the structure. */
		struct completion *done = xchg(&create->done, NULL);

		if (!done) {
			kfree(create);
			return;
		}
		create->result = ERR_PTR(pid);
		complete(done);
	}
}

可以看到內(nèi)核線(xiàn)程的創(chuàng)建最終還是和kthreadd一樣，調(diào)用kernel_thread實(shí)現(xiàn)。

static int kthread(void *_create)
{
	.
	.
	.
	.
	/* If user was SIGKILLed, I release the structure. */
	done = xchg(&create->done, NULL);
	if (!done) {
		kfree(create);
		do_exit(-EINTR);
	}
	/* OK, tell user we're spawned, wait for stop or wakeup */
	__set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);
	create->result = current;
	complete(done);
	schedule();

	ret = -EINTR;

	if (!test_bit(KTHREAD_SHOULD_STOP, &self.flags)) {
		__kthread_parkme(&self);
		ret = threadfn(data);
	}
	/* we can't just return, we must preserve "self" on stack */
	do_exit(ret);
}

kthread以struct kthread_create_info 類(lèi)型的create為參數(shù)，create中帶有創(chuàng)建內(nèi)核線(xiàn)程的回調(diào)函數(shù)，以及函數(shù)的參數(shù)。kthread中，完成completion信號(hào)量的處理，然后schedule讓出cpu的執(zhí)行權(quán)，等待下次返回 時(shí)，執(zhí)行回調(diào)函數(shù)threadfn(data)。

4.內(nèi)核線(xiàn)程的退出

線(xiàn)程一旦啟動(dòng)起來(lái)后，會(huì)一直運(yùn)行，除非該線(xiàn)程主動(dòng)調(diào)用do_exit函數(shù)，或者其他的進(jìn)程調(diào)用kthread_stop函數(shù)，結(jié)束線(xiàn)程的運(yùn)行。

int kthread_stop(struct task_struct *k)
{
	struct kthread *kthread;
	int ret;

	trace_sched_kthread_stop(k);

	get_task_struct(k);
	kthread = to_live_kthread(k);
	if (kthread) {
		set_bit(KTHREAD_SHOULD_STOP, &kthread->flags);
		__kthread_unpark(k, kthread);
		wake_up_process(k);
		wait_for_completion(&kthread->exited);
	}
	ret = k->exit_code;
	put_task_struct(k);

	trace_sched_kthread_stop_ret(ret);
	return ret;
}

如果線(xiàn)程函數(shù)正在處理一個(gè)非常重要的任務(wù)，它不會(huì)被中斷的。當(dāng)然如果線(xiàn)程函數(shù)永遠(yuǎn)不返回并且不檢查信號(hào)，它將永遠(yuǎn)都不會(huì)停止。在執(zhí)行kthread_stop的時(shí)候，目標(biāo)線(xiàn)程必須沒(méi)有退出，否則會(huì)Oops。所以在創(chuàng)建thread_func時(shí)，可以采用以下形式：

thread_func()
{
   // do your work here
   // wait to exit
   while(!thread_could_stop())
   {
          wait();
   }
}

exit_code()
{
    kthread_stop(_task);   //發(fā)信號(hào)給task，通知其可以退出了
}

如果線(xiàn)程中在等待某個(gè)條件滿(mǎn)足才能繼續(xù)運(yùn)行，所以只有滿(mǎn)足了條件以后，才能調(diào)用kthread_stop殺掉內(nèi)核線(xiàn)程。

5.內(nèi)核線(xiàn)程使用

#include "test_kthread.h"
#include <linux/delay.h>
#include <linux/timer.h>

#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/module.h>

static struct task_struct *test_thread = NULL;

unsigned int time_conut = 5;

int  test_thread_fun(void *data)
{
	int times = 0;
	while(!kthread_should_stop())
	{
		printk("\n   printk %u\r\n", times);
		times++;
		msleep_interruptible(time_conut*1000);
	}

	printk("\n   test_thread_fun exit success\r\n\n");

	return 0;
}


void register_test_thread(void)
{

	test_thread = kthread_run(test_thread_fun , NULL, "test_kthread" );
	
   if (IS_ERR(test_thread)){
       printk(KERN_INFO "create test_thread failed!\n");
   }  
   else {
       printk(KERN_INFO "create test_thread ok!\n");  
   }
	
}
static ssize_t kthread_debug_start(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf)
{
	register_test_thread();
	
	return 0;	
}


static ssize_t kthread_debug_stop(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf)
{
	kthread_stop(test_thread);
	
	return 0;	
}


static DEVICE_ATTR(kthread_start,  S_IRUSR,  kthread_debug_start,NULL);
static DEVICE_ATTR(kthread_stop, S_IRUSR,    kthread_debug_stop,NULL);

struct attribute * kthread_group_info_attrs[] =
{
	&dev_attr_kthread_start.attr,
	&dev_attr_kthread_stop.attr,
	
	NULL,
};

struct attribute_group kthread_group =
{
	.name = "kthread",
	.attrs = kthread_group_info_attrs,
};

讀到這里，這篇“l(fā)inux有沒(méi)有內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程”文章已經(jīng)介紹完畢，想要掌握這篇文章的知識(shí)點(diǎn)還需要大家自己動(dòng)手實(shí)踐使用過(guò)才能領(lǐng)會(huì)，如果想了解更多相關(guān)內(nèi)容的文章，歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道。

名稱(chēng)欄目：linux有沒(méi)有內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程
本文路徑：http://www.muchs.cn/article24/ghpdce.html

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