高效輕型線程助力提高Linux實(shí)時性能

采用PTHREADS的Linux多線程

　　Pthreads是由IEEE規(guī)劃的可移植操作系統(tǒng)接口（POSIX）創(chuàng)建的，目的是為了解決Unix中存在的高性能、多線程問題，之后被Linux用在最早的版本中，用于為企業(yè)實(shí)施可移植Unix,目前用于嵌入式應(yīng)用中。

　　創(chuàng)建pthreads模型是為了解決原始Unix Fork/Join模型創(chuàng)建Unix子進(jìn)程時出現(xiàn)的問題。由于該模型涉及到創(chuàng)建（還可能涉及刪除）整個受內(nèi)存保護(hù)的環(huán)境及執(zhí)行模式，因此Unix進(jìn)程模型非常龐大。需要在Unix下采用適用于多線程的較輕型模型，因此pthreads應(yīng)運(yùn)而生。

　　但Unix（也包括Linux）模型是專為將內(nèi)核與用戶空間應(yīng)用完全分離而設(shè)計的，其優(yōu)勢之一在于提供的保護(hù)、安全性和可靠性遠(yuǎn)勝于其他實(shí)施方案（包括過去10幾年間使用的RTOS）。實(shí)質(zhì)上，這意味著Linux用戶空間中的每個pthread都會由Linux內(nèi)核線程表示，因此，全部或大部分Linux系統(tǒng)調(diào)用（特別是設(shè)備驅(qū)動器）均可通過用戶空間進(jìn)行訪問。但是，由于OEM制造的產(chǎn)品并不具備GPL,因此用戶空間中實(shí)際存儲了所有嵌入式Linux實(shí)時應(yīng)用。因此，在每種情況下，使用pthreads都涉及到調(diào)用Linux內(nèi)核，從而為本可以在本地實(shí)施的應(yīng)用帶來了額外的系統(tǒng)開銷。

　　但請您稍稍考慮一下。采用上文提到的Linux實(shí)時擴(kuò)展怎么樣？是的，PREEMPT_RT可以解決Linux內(nèi)核中存在的許多關(guān)于響應(yīng)性的問題，但不能真正解決多線程問題。實(shí)施用戶空間 Linux可解決設(shè)備驅(qū)動器/中斷性能問題，但并不能真正解決多線程問題。Linux實(shí)時容器可解決部分問題，但實(shí)時容器只是一種基于標(biāo)準(zhǔn)Linux的用戶空間Linux可視化技術(shù)，并不能真正解決根本的多線程問題。

　　輕型線程（LWT）--復(fù)雜Linux應(yīng)用的真正解決方案

　　之前針對Linux提出了多種輕型線程模型的建議，但沒有一種模型能夠真正解決問題。原因何在？因為大多數(shù)模型的功能都不是很強(qiáng)大。涉及復(fù)雜多線程應(yīng)用的下一代Linux解決方案真正需要的是適用于用戶空間Linux應(yīng)用的全新Linux模型。下文概括介紹了這種名為Linux輕型線程（LWT）的解決方案。將高性能、低系統(tǒng)開銷、多線程調(diào)度器植入Linux用戶空間，來代替單獨(dú)的pthread.原因何在？

　　●Pthread系統(tǒng)開銷

　　●進(jìn)程和pthreads是Linux了解的唯一調(diào)度實(shí)體。

　　●LWT pthread只是一個Linux編碼執(zhí)行背景，可用于永久運(yùn)行pthread.由于用戶空間調(diào)度器始終保持控制，因此pthread絕不會被掛起，省電模式除外。這種情況不在本文的討論范圍。

　　該用戶空間調(diào)度器的運(yùn)行和操作方式與某些傳統(tǒng)RTOS高性能、低延遲實(shí)施完全相同，但不會涉及到Linux內(nèi)核。

　　實(shí)施過程利用新用戶空間Linux實(shí)施過程來直接訪問硬件。同樣也不涉及Linux內(nèi)核。

　　上述LWT解決方案可在任何Linux實(shí)時應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)動態(tài)性能的提升。Enea已設(shè)計出上述LWT的一些原型，事實(shí)證明，與Linux pthreads在調(diào)度器系統(tǒng)開銷、特別是上下文切換和線程間消息發(fā)送/通信延遲方面的性能相比，LWT性能可提高10倍。

　　但是除了調(diào)度性能和線程間通信功能之外，LWT解決方案還應(yīng)帶來什么？LWT概念除了在性能方面勝過Linux pthreads之外，還有更多優(yōu)勢。解決方案穩(wěn)健性的概念如何？與歷史悠久的RTOS實(shí)時解決方案一樣，LWT也需要具有以下額外Linux特性：

　　●決定性調(diào)度

　　●調(diào)度系統(tǒng)開銷低--上下文切換成本低

　　●線程間信號系統(tǒng)開銷低

　　●線程創(chuàng)建成本低

　　多核設(shè)備中Linux輕型線程模型的結(jié)構(gòu)圖

　　LWT實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)圖如下。涉及整個共享內(nèi)存空間的Linux進(jìn)程可能跨多核設(shè)備的多個內(nèi)核。為了達(dá)到最高效率，LWT模型需要將Linux進(jìn)程中的單個pthread鎖定至某一個內(nèi)核，但并不特別要求這樣做。LWT鎖定至pthread之后，便可遷移到Linux SMP需要的任何內(nèi)核中。

圖1:多核設(shè)備中Linux輕型線程模型的結(jié)構(gòu)圖

　　結(jié)論

　　高效輕型線程（LWT）將成為下一個Linux實(shí)時性能和行為問題。需要強(qiáng)調(diào)的是，并非所有實(shí)時應(yīng)用都需要使用功能強(qiáng)大的類似LWT的解決方案。但是一些實(shí)時應(yīng)用，尤其是電信/網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用以及無線接入網(wǎng)、移動基礎(chǔ)設(shè)施核心/邊緣中的那些需要使用某些復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用、或任何具有類似實(shí)時需求的其他系統(tǒng)均可受益于Linux輕型線程--下一代 Linux 實(shí)時擴(kuò)展。同時，實(shí)時嵌入式Linux的整個發(fā)展過程證明了Linux的運(yùn)行效果與傳統(tǒng)RTOS解決方案一樣優(yōu)異。Linux已取得了一些進(jìn)展，但是作者認(rèn)為，最重要的電信/網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中使用的Linux尚未達(dá)到預(yù)期的要求。但也許通過Linux輕型線程，我們可以更接近這一目標(biāo)?？偟膩碚f，Linux實(shí)時嵌入式行業(yè)的一個側(cè)重點(diǎn)是研發(fā)出可用于要求最高的實(shí)時應(yīng)用的解決方案。下圖中描述了該目標(biāo)：

圖2:輕型線程和Linux概念--Linux和RTOS最重要的概念