衛(wèi)洪春

摘 要： 為了實現(xiàn)線程間消息的有效傳遞，在探討進(jìn)程和線程的概念、進(jìn)程和線程的區(qū)別、同步和異步處理機(jī)制、同步訪問技術(shù)、Linux下的軟中斷等技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種實現(xiàn)線程間有效傳遞消息的方法。該方法可以傳遞任意類型、大小和格式的消息，并且完全由實現(xiàn)者決定和控制，具有較好的實用價值。

關(guān)鍵詞： 進(jìn)程； 線程； 異步處理； 同步訪問技術(shù)； 消息傳遞

中圖分類號： TN911?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0074?04

0 引 言

基于Linux操作系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)和應(yīng)用已非常廣泛，在嵌入式系統(tǒng)或子系統(tǒng)中大部分應(yīng)用都采用單個CPU，應(yīng)用層軟件開發(fā)大多使用多線程開發(fā)技術(shù)。在同一個功能模塊中使用多個線程來實現(xiàn)各個子功能模塊，線程間的通信就不可避免。本文研究了一種在同一進(jìn)程中的2個不同線程間消息傳遞的實現(xiàn)方法。該方法的優(yōu)點是實現(xiàn)了消息的透明傳遞。傳遞消息與其傳遞過程無關(guān)。在這種方法中，待傳遞消息的具體內(nèi)容、構(gòu)成形式、信息量等都不受限制，可根據(jù)實際需要來構(gòu)建消息。這就能實現(xiàn)信息與載體的完全無關(guān)性和分離。利用該方法，待傳遞的消息可以是字符或整形數(shù)據(jù)，也可以是滿足實際需要的復(fù)雜構(gòu)造型數(shù)據(jù)，攜帶的具體信息數(shù)據(jù)等都不受限制，可根據(jù)實際需要進(jìn)行定義和構(gòu)造。

1 進(jìn)程、線程與信號量

進(jìn)程是具有一定獨立功能的程序在一定的內(nèi)存地址空間中，屬于這個程序的數(shù)據(jù)集合上的一次運行活動，它具有產(chǎn)生、運行、死亡的動態(tài)變化的活動過程。在進(jìn)程產(chǎn)生時，獲得了地址空間的系統(tǒng)資源才能運行，這就需要系統(tǒng)給予它所需的資源分配，所以進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的一個獨立單位，也是用于組織和管理系統(tǒng)資源的單位。進(jìn)程將相關(guān)的資源組織在一起，這些資源包括：內(nèi)存地址空間、程序、數(shù)據(jù)等。將這些資源以進(jìn)程的形式組織起來，可以使操作系統(tǒng)更容易管理這些資源。

線程是進(jìn)程的一個執(zhí)行實體，它必須屬于某一個進(jìn)程。線程是CPU調(diào)度和分派的基本單位，也是進(jìn)程中能獨立運行的基本單位。線程不獨占處理CPU之外的系統(tǒng)資源，它與同屬一個進(jìn)程的其他線程共享進(jìn)程所擁有的這些資源，但只擁有一個線程的進(jìn)程情況除外。線程基本上只獨占在它運行時必不可少的資源（如程序計數(shù)器、一組寄存器和棧），但是由于線程比進(jìn)程更小，擁有的系統(tǒng)資源更少，基本上不擁有系統(tǒng)資源。在線程間切換時，對運行的上下文處理工作就變得更少，故對它的調(diào)度所付出的開銷就小得多，能更高效地提高系統(tǒng)內(nèi)多個任務(wù)間并發(fā)執(zhí)行的程度[1?5]。

1.1 進(jìn)程與線程的主要區(qū)別

進(jìn)程和線程存在以下幾個方面的主要區(qū)別。

（1） 地址空間和其他資源：進(jìn)程獨占系統(tǒng)分配給它的地址空間，它有自己的數(shù)據(jù)空間、代碼和數(shù)據(jù)。不同進(jìn)程間的這些資源是隔離的，并受到系統(tǒng)的保護(hù)，不允許一個進(jìn)程直接訪問2個進(jìn)程的資源。若需要則通過進(jìn)程間的通信來實現(xiàn)。而同屬于一個進(jìn)程的多個線程則共享該系統(tǒng)分配給該進(jìn)程的地址空間、代碼和數(shù)據(jù)，每個線程都可以直接訪問這些共享的資源。線程間不可共享的資源是它自己的堆棧、程序計數(shù)器及其執(zhí)行的上下文。CPU資源無論對于進(jìn)程還是線程都不是獨占的，而是共享的。進(jìn)程不能直接參與CPU資源的分配和調(diào)度，而線程是CPU資源分配和調(diào)度的單位，可以直接競爭分配和調(diào)度。進(jìn)程必須依賴它的線程參與到CPU資源的競爭分配和調(diào)度中，從而獲得CPU資源。多線程主要是為了減少在CPU調(diào)度切換時消耗的時間，充分發(fā)揮CPU的效率。

（2） 通信：由于進(jìn)程的地址空間、代碼空間和數(shù)據(jù)都受到保護(hù)，相互之間都是透明的。所以要想在進(jìn)程間進(jìn)行信息的傳遞通信，就需要使用IPC來實現(xiàn)。屬于一個進(jìn)程的不同線程間的通信相當(dāng)容易，直接讀/寫進(jìn)程數(shù)據(jù)段（如全局變量）就可實現(xiàn)通信，通信變簡單了，但容易引起通信數(shù)據(jù)的不完整或不一致性的問題。這就需要在進(jìn)行線程間通信時，保證通信時的原子操作。

（3） 調(diào)度和切換：進(jìn)程進(jìn)行上下文切換時，需要保存切換出去進(jìn)程的地址空間、代碼空間、數(shù)據(jù)、當(dāng)前堆棧和程序計數(shù)器等資源信息，還需恢復(fù)已調(diào)度進(jìn)程的資源信息。而在同一個進(jìn)程間的不同線程的上下文切換時，僅需要保存切換出去的線程的堆棧和程序計數(shù)器，恢復(fù)調(diào)度過的線程的相關(guān)資源。因線程不需要維護(hù)和管理數(shù)據(jù)空間和運行空間，在進(jìn)行切換時，需要保存和恢復(fù)的內(nèi)容就比進(jìn)程少得多，所以線程上下文切換比進(jìn)程上下文切換要快得多，線程更能提高CPU的利用率。

1.2 同步與異步處理

同步處理，就是共同實現(xiàn)完成某一特定功能的多個進(jìn)程或線程間存在嚴(yán)格的運行次序，且運行的結(jié)果及返回具有依賴性。這些進(jìn)程或線程之間是相互配合、協(xié)助與合作的關(guān)系。在這一特定功能的協(xié)作尚未完成之前，是不會響應(yīng)其他的請求。

異步處理，就是多個進(jìn)程或線程間不存在運行次序問題和依賴關(guān)系。他們的運行不需要相互協(xié)同和配合，而是各自獨立運行。在這種處理方式下，就會產(chǎn)生同步訪問的問題。

同步訪問過程所面臨的問題是：共享數(shù)據(jù)或代碼段被多個線程并發(fā)或同時訪問，會出現(xiàn)共享數(shù)據(jù)的不完整性和不一致性。導(dǎo)致功能錯誤或無法實現(xiàn)功能，或引起異常甚至系統(tǒng)崩潰。保證線程對共享數(shù)據(jù)的原子操作，以達(dá)到時刻維護(hù)數(shù)據(jù)完成性和一致性的目的，就是使用同步訪問技術(shù)。

1.3 同步訪問技術(shù)

（1） 臨界區(qū)：是指一段不可重入的代碼，對于一個線程必須對臨界區(qū)執(zhí)行原子操作，即要么不執(zhí)行臨界區(qū)的代碼，要么在執(zhí)行臨界區(qū)代碼時一次性執(zhí)行完成且中間不得被其他線程執(zhí)行。在任意時刻只允許一個線程對共享資源進(jìn)行訪問，如果有多個線程試圖訪問臨界區(qū)，那么在有一個線程進(jìn)入后，其他試圖訪問公共資源的線程將被掛起，并一直等到進(jìn)入臨界區(qū)的線程離開，臨界區(qū)在被釋放后，其他線程才可以搶占。

（2） 互斥量：采用互斥對象機(jī)制。只有擁有互斥對象的線程才有訪問公共資源的權(quán)限，因為互斥對象只有一個，所以能保證公共資源不會同時被多個線程訪問?；コ獠粌H能實現(xiàn)同一應(yīng)用程序的公共資源安全共享，還能實現(xiàn)不同應(yīng)用程序的公共資源安全共享。

（3） 信號量：其是一個互斥的資源，在任何時刻只能有一個線程擁有它。當(dāng)信號量被一個線程持有后，其他線程就獲取不到該信號量的持有權(quán)，而被掛起等待，一直等待持有這個信號量的線程將他釋放出來，再進(jìn)行競爭這個信號量的持有權(quán)。信號量保證了在某一時間段內(nèi)只有一個線程訪問臨界區(qū)，而其他需要訪問的線程進(jìn)行等待。保證了線程對臨界區(qū)的原子操作。

（4） 事件：通過通知的方式來保持線程的同步，可以方便地實現(xiàn)對多個線程的異步處理操作。

1.4 Linux下的軟中斷信號signal

軟中斷信號（signal，簡稱為信號）用來通知一個線程，有其他線程向它發(fā)送了異步事件，需要它進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。信號只是用來通知某線程發(fā)生了什么事件，并不會給該線程傳遞任何有關(guān)該事件的數(shù)據(jù)，線程對收到的各種信號如何處理，由該線程自己決定。不過在Linux的進(jìn)程中處理方法通常有3種：第1種是類似中斷的處理程序，對于需要處理的信號，進(jìn)程可以指定處理函數(shù)，由該函數(shù)來處理；第2種是忽略某個信號，對該信號不做任何處理，就象未發(fā)生過一樣；第3種是對該信號的處理保留系統(tǒng)的默認(rèn)值，這種缺省操作對大部分的信號而言是進(jìn)程終止。進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用signal來指定進(jìn)程對某個信號的處理行為。在進(jìn)程表的表項中有一個軟中斷信號域，該域的每位對應(yīng)一個信號。當(dāng)有信號發(fā)送給進(jìn)程時，對應(yīng)位置位。由此可以看出，進(jìn)程對不同的信號可以同時保留，但對于同一個信號，進(jìn)程在處理之前并不知道來了多少個[6?10]。

1.5 不可靠信號與可靠信號

不可靠信號：當(dāng)向一個進(jìn)程發(fā)送singal時，當(dāng)進(jìn)程還沒有處理該信號（此時被稱作pending，未決信號）或正在調(diào)用信號處理函數(shù)時，進(jìn)程又收到了一個同樣的信號，kernel會把第2個信號丟棄，或者與一個信號合并，只對這個信號處理1次，而不是收到這個信號多少次就處理多少次。不可靠的信號是指1～31的信號，這些都是從Unix系統(tǒng)中保留下來的。

可靠信號是指不論信號是否相同，都不會丟棄或合并，信號進(jìn)行排隊處理，信號不丟失，收到多少次就會處理多少次。SIGRTMIN～SIGRTMAX都是可靠信號[11]。

2 線程間消息實現(xiàn)方法

消息傳遞方法實現(xiàn)原理：使用與1個進(jìn)程中的2個線程間的消息和參數(shù)傳遞，它由2部分組成，一部分是把待發(fā)送的信息內(nèi)容放到指定的共享內(nèi)存空間中，然后使用Linux下的signal信號向接收線程發(fā)異步信號；另一部分是接收線程收到信號后，到指定的所屬進(jìn)程內(nèi)存空間獲取具體的消息內(nèi)容，從而實現(xiàn)線程間的異步通信，且可以傳遞較多的數(shù)據(jù)和參數(shù)。由于在線程間使用共享的內(nèi)存空間用于存放傳遞消息的內(nèi)容；所以在存放和提取消息內(nèi)容時，需要使用前述的線程間同步與互斥機(jī)制，保證消息內(nèi)容在傳遞過程中不被破壞和保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。在線程間實現(xiàn)消息通告方式采用Linux的signal方式，即軟件中斷方式。它是異步事件，由操作系統(tǒng)的內(nèi)核實現(xiàn)。采用異步通告方式，是為了充分利用系統(tǒng)資源，特別是CPU資源。

2.1 信號的選擇

在上述論述中已經(jīng)論述了信號分為不可靠信號和可靠信號2種。為了保證消息被安全、可靠地傳遞給對方，就必須選擇可靠信號。由于大部分可靠信號都有專門的用途，并且在這種消息實現(xiàn)中，所起的作用僅是異步方式通知對方有消息來了，并不指特定的消息。具體是什么消息，可通過獲取到的消息的內(nèi)容獲知，選擇用于應(yīng)用程序的SIGUSER1即可。傳遞具體消息的內(nèi)容、格式和大小，在資源夠用的前提下，沒有任何限制，有極大的靈活性，只要保證消息封裝和消息提取保持一致即可[12]。

2.2 消息存放的位置

消息存放的位置有2種處理方式，固定位置和動態(tài)位置。

固定位置方式：發(fā)送和接收消息的線程都知道消息存放的地址，發(fā)送消息的線程就將具體封裝好的消息放到這個固定的內(nèi)存空間中；接收線程收到信號后，就到這個固定的內(nèi)存空間來獲取消息。

動態(tài)位置方式：由發(fā)送消息的線程在發(fā)送消息之前確定消息內(nèi)容存放在共享內(nèi)存空間位置，將消息內(nèi)容存放在這個空間之后，向接收線程發(fā)送帶有消息位置參數(shù)信號。接收線程在收到信號時提取出信息的位置參數(shù)，然后到該位置獲取消息的內(nèi)容。Linux下的signal在進(jìn)程間是不能帶有參數(shù)的，但在線程間可以帶有一個整型參數(shù)。在這里所帶的整型參數(shù)是一個地址，即線程共享內(nèi)存中的地址。線程都可以訪問共享內(nèi)存空間，所以可以使用。

3 消息傳遞過程

在圖1所示的消息傳遞示意圖中，進(jìn)程P中包含4個線程，實現(xiàn)線程4向線程1消息傳遞。線程4是消息的發(fā)送者，線程1是消息的接收者。首先，線程4將欲傳遞的消息內(nèi)容沿著①的方向放在進(jìn)程p的內(nèi)存空間的地址a處；然后，線程4沿著②的方向向線程1發(fā)放signal信號，通知線程1，有消息發(fā)送給它，通知他去共享內(nèi)存空間的地址a處獲取消息；最后，線程1收到信號后，到地址a處提取消息，然后進(jìn)行消息處理，完成了一次消息傳遞過程。

圖1 線程間消息傳遞示意圖

這種消息傳遞方法是滿足線程1和線程4間異步并發(fā)的運行，線程4在向線程1發(fā)送消息時，不需要知道線程1的當(dāng)前運行狀態(tài)，只在它需要向線程1發(fā)消息的任何時刻發(fā)送即可。使得傳遞的消息的類型和所帶參數(shù)個數(shù)以及格式等都與消息傳遞過程無關(guān)，只與系統(tǒng)資源的限制有關(guān)。這也對2個線程進(jìn)行相互隔離，屏蔽了消息的產(chǎn)生和消息處理的具體過程。

4 結(jié) 語

在用戶空間的應(yīng)用程序中，一個進(jìn)程由多個線程來實現(xiàn)一個功能模塊中的不同子模塊的功能，實現(xiàn)各個子功能模塊的線程間即相互獨立，又相互關(guān)聯(lián)。在他們之間，都處于同一個進(jìn)程內(nèi)部，進(jìn)行通信是不可避免的。使用消息方法既能保證線程間的異步并發(fā)和同步協(xié)作，又能充分利用系統(tǒng)的資源。在實際應(yīng)用中，該方法能有效降低線程間的耦合性，明確各個線程的職責(zé)和范圍[13?17]，降低軟件實現(xiàn)的復(fù)雜度，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實作用和意義，為線程間進(jìn)行消息交互提供了較好的參考方法和思路。

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