Linux 线程模型的比较：LinuxThreads 和 NPTL（1）

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当 Linux 最初开发时，在内核中并不能真正支持线程。但是它的确可以通过 clone() 系统调用将进程作为可调度的实体。这个调用创建了调用进程（calling process）的一个拷贝，这个拷贝与调用进程共享相同的地址空间。LinuxThreads 项目使用这个调用来完全在用户空间模拟对线程的支持。不幸的是，这种方法有一些缺点，尤其是在信号处理、调度和进程间同步原语方面都存在问题。另外，这个线程模型也不符合 POSIX 的要求。
要改进 LinuxThreads，非常明显我们需要内核的支持，并且需要重写线程库。有两个相互竞争的项目开始来满足这些要求。一个包括 IBM 的开发人员的团队开展了 NGPT（Next-Generation POSIX Threads）项目。同时，Red Hat 的一些开发人员开展了 NPTL 项目。NGPT 在 2003 年中期被放弃了，把这个领域完全留给了 NPTL。
尽管从 LinuxThreads 到 NPTL 看起来似乎是一个必然的过程，但是如果您正在为一个历史悠久的 Linux 发行版维护一些应用程序，并且计划很快就要进行升级，那么如何迁移到 NPTL 上就会变成整个移植过程中重要的一个部分。另外，我们可能会希望了解二者之间的区别，这样就可以对自己的应用程序进行设计，使其能够更好地利用这两种技术。
本文详细介绍了这些线程模型分别是在哪些发行版上实现的。
LinuxThreads 设计细节线程 将应用程序划分成一个或多个同时运行的任务。线程与传统的多任务进程 之间的区别在于：线程共享的是单个进程的状态信息，并会直接共享内存和其他资源。同一个进程中线程之间的上下文切换通常要比进程之间的上下文切换速度更快。因此，多线程程序的优点就是它可以比多进程应用程序的执行速度更快。另外，使用线程我们可以实现并行处理。这些相对于基于进程的方法所具有的优点推动了 LinuxThreads 的实现。
LinuxThreads 最初的设计相信相关进程之间的上下文切换速度很快，因此每个内核线程足以处理很多相关的用户级线程。这就导致了一对一 线程模型的革命。
让我们来回顾一下 LinuxThreads 设计细节的一些基本理念：

• LinuxThreads 非常出名的一个特性就是管理线程（manager thread）。管理线程可以满足以下要求：
  
  • 系统必须能够响应终止信号并杀死整个进程。
  • 以堆栈形式使用的内存回收必须在线程完成之后进行。因此，线程无法自行完成这个过程。
  • 终止线程必须进行等待，这样它们才不会进入僵尸状态。
  • 线程本地数据的回收需要对所有线程进行遍历；这必须由管理线程来进行。
  • 如果主线程需要调用 pthread_exit()，那么这个线程就无法结束。主线程要进入睡眠状态，而管理线程的工作就是在所有线程都被杀死之后来唤醒这个主线程。
• 为了维护线程本地数据和内存，LinuxThreads 使用了进程地址空间的高位内存（就在堆栈地址之下）。
• 原语的同步是使用信号 来实现的。例如，线程会一直阻塞，直到被信号唤醒为止。
• 在克隆系统的最初设计之下，LinuxThreads 将每个线程都是作为一个具有惟一进程 ID 的进程实现的。
• 终止信号可以杀死所有的线程。LinuxThreads 接收到终止信号之后，管理线程就会使用相同的信号杀死所有其他线程（进程）。
• 根据 LinuxThreads 的设计，如果一个异步信号被发送了，那么管理线程就会将这个信号发送给一个线程。如果这个线程现在阻塞了这个信号，那么这个信号也就会被挂起。这是因为管理线程无法将这个信号发送给进程；相反，每个线程都是作为一个进程在执行。
• 线程之间的调度是由内核调度器来处理的。

LinuxThreads 及其局限性LinuxThreads 的设计通常都可以很好地工作；但是在压力很大的应用程序中，它的性能、可伸缩性和可用性都会存在问题。下面让我们来看一下 LinuxThreads 设计的一些局限性：

• 它使用管理线程来创建线程，并对每个进程所拥有的所有线程进行协调。这增加了创建和销毁线程所需要的开销。
• 由于它是围绕一个管理线程来设计的，因此会导致很多的上下文切换的开销，这可能会妨碍系统的可伸缩性和性能。
• 由于管理线程只能在一个 CPU 上运行，因此所执行的同步操作在 SMP 或 NUMA 系统上可能会产生可伸缩性的问题。
• 由于线程的管理方式，以及每个线程都使用了一个不同的进程 ID，因此 LinuxThreads 与其他与 POSIX 相关的线程库并不兼容。
• 信号用来实现同步原语，这会影响操作的响应时间。另外，将信号发送到主进程的概念也并不存在。因此，这并不遵守 POSIX 中处理信号的方法。
• LinuxThreads 中对信号的处理是按照每线程的原则建立的，而不是按照每进程的原则建立的，这是因为每个线程都有一个独立的进程 ID。由于信号被发送给了一个专用的线程，因此信号是串行化的 —— 也就是说，信号是透过这个线程再传递给其他线程的。这与 POSIX 标准对线程进行并行处理的要求形成了鲜明的对比。例如，在 LinuxThreads 中，通过 kill() 所发送的信号被传递到一些单独的线程，而不是集中整体进行处理。这意味着如果有线程阻塞了这个信号，那么 LinuxThreads 就只能对这个线程进行排队，并在线程开放这个信号时在执行处理，而不是像其他没有阻塞信号的线程中一样立即处理这个信号。
• 由于 LinuxThreads 中的每个线程都是一个进程，因此用户和组 ID 的信息可能对单个进程中的所有线程来说都不是通用的。例如，一个多线程的 setuid()/setgid() 进程对于不同的线程来说可能都是不同的。
• 有一些情况下，所创建的多线程核心转储中并没有包含所有的线程信息。同样，这种行为也是每个线程都是一个进程这个事实所导致的结果。如果任何线程发生了问题，我们在系统的核心文件中只能看到这个线程的信息。不过，这种行为主要适用于早期版本的 LinuxThreads 实现。
• 由于每个线程都是一个单独的进程，因此 /proc 目录中会充满众多的进程项，而这实际上应该是线程。
• 由于每个线程都是一个进程，因此对每个应用程序只能创建有限数目的线程。例如，在 IA32 系统上，可用进程总数 —— 也就是可以创建的线程总数 —— 是 4,090。
• 由于计算线程本地数据的方法是基于堆栈地址的位置的，因此对于这些数据的访问速度都很慢。另外一个缺点是用户无法可信地指定堆栈的大小，因为用户可能会意外地将堆栈地址映射到本来要为其他目的所使用的区域上了。按需增长（grow on demand） 的概念（也称为浮动堆栈 的概念）是在 2.4.10 版本的 Linux 内核中实现的。在此之前，LinuxThreads 使用的是固定堆栈。