Linux内核---多线程

A、     线程和进程的差别

    在现代操作系统中，进程支持多线程。进程是资源管理及分配的最小单元；而线程是程序执行的最小单元。一个进程的组成实体可以分为两大部分：线程集和资源集。进程中的线程是动态的对象，代表了进程指令的执行过程。资源，包括地址空间、打开的文件、用户信息等等，由进程内的线程共享。线程有自己的私有数据：程序计数器，栈空间以及寄存器。

    现实中有很多需要并发处理的任务，如数据库的服务器端、网络服务器、大容量计算等。传统的UNIX进程是单线程的，单线程意味着程序必须是顺序执行，不能并发，即在一个时刻只能运行在一个处理器上，因此不能充分利用多处理器框架的计算机。

 

如果采用多进程的方法，则有如下问题：

?      fork一个子进程的消耗是很大的，fork是一个昂贵的系统调用。

?      各个进程拥有自己独立的地址空间，进程间的协作需要复杂的IPC技术，如消息传递和共享内存等。

 

线程推广了进程的概念，使一个进程可以包含多个活动（或者说执行序列等等）。多线程的优点和缺点实际上是对立统一的。使用线程的优点在于：

?      a 改进程序的实时响应能力；

?      b 更有效的使用多处理器，真正的并行(parallelism)；

?      c 改进程序结构，具备多个控制流；

?      d 通讯方便，由于共享进程的代码和全局数据；

?      e 减少对系统资源的使用。                                                    对属于同一个进程的线程之间进行调度切换时不需要调用系统调用，因此将减少额外的消耗，往往一个进程可以启动上千个线程也没有什么问题。 

缺点在于：

由于各线程共享进程的地址空间，因此可能会导致竞争，因此对某一块有多个线程要访问的数据需要一些同步技术。

 B 、  内核线程与用户进程的关系

内核线程也可以叫内核任务，例如，磁盘高速缓存的刷新，网络连接的维护，页面的换入换出等等。在Linux中，内核线程与普通进程有一些本质的区别，从以下几个方面可以看出二者之间的差异：

?      内核线程能够访问内核中数据，调用内核函数，而普通进程只有通过系统调用才能执行内核中的函数；

?      内核线程只运行在内核态，而普通进程既可以运行在用户态，也可以运行在内核态；

?      因为内核线程指只运行在内核态，因此，它只能使用大于PAGE_OFFSET（3G）的地址空间。另一方面，不管在用户态还是内核态，普通进程可以使用4GB的地址空间。

C、   创建内核线程最基本的两个接口函数是：

1、kthread_run(threadfn, data, namefmt, ...)    和

kernel_thread(int(* fn)(void *),void * arg,unsigned long flags)

kthread_run 事实上是一个宏定义：

#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;     })

      kthread_run()负责内核线程的创建，它由kthread_create()和wake_up_process()两部分组成，这样的好处是用kthread_run()创建的线程可以直接运行。外界调用kthread_run创建运行线程。kthread_run是个宏定义，首先调用kthread_create()创建线程，如果创建成功，再调用wake_up_process()唤醒新创建的线程。kthread_create()根据参数向kthread_create_list中发送一个请求，并唤醒kthread，之后会调用wait_for_completion(&create.done)等待线程创建完成。新创建的线程开始运行后，入口在kthread()，kthread()调用complete(&create->done)唤醒阻塞的模块进程，并使用schedule()调度出去。kthread_create()被唤醒后，设置新线程的名称，并返回到kthread_run中。kthread_run调用wake_up_process()重新唤醒新创建线程，此时新线程才开始运行kthread_run参数中的入口函数。

2、int kthread_stop(struct task_struct *k);
 kthread_stop()负责结束创建的线程，参数是创建时返回的task_struct指针。kthread设置标志should_stop，并等待线程主动结束，返回线程的返回值。在调用 kthread_stop()结束线程之前一定要检查该线程是否还在运行（通过 kthread_run 返回的 task_stuct 是否有效），否则会造成灾难性的后果。kthread_run的返回值tsk。不能用tsk是否为NULL进行检查，而要用IS_ERR()宏定义检查，这是因为返回的是错误码，大致从0xfffff000~0xffffffff。
3、int kthread_should_stop(void);
kthread_should_stop()返回should_stop标志（参见 struct kthread ）。它用于创建的线程检查结束标志，并决定是否退出。

4、#define wait_event_interruptible(wq, condition)    ({   int __ret = 0; 

  if (!(condition))    __wait_event_interruptible(wq, condition, __ret);       __ret;   }) 

函数作用：等待事件，置于休眠。成功地唤醒一个被wait_event_interruptible()的进程，需要满足： 在 1)condition为真的前提下，2) 调用wake_up()。

5、 void wake_up_interruptible (wait_queue_head_t *q);   说明：唤醒 q 指定的注册在等待队列上的进程。该函数不能直接的立即唤醒进程，而是由调度程序转换上下文，调整为可运行状态。线程不会主动的自己调度，需要显式的通过schedule 或者 schedule_timeout()来调度。

6、int waitqueue_active( &task_wait_queue）;查看队列中是否有等待线程。

7、这里介绍另一种线程间通信的方式：completion机制。Completion机制是线程间通信的一种轻量级机制：允许一个线程告诉另一个线程工作已经完成。为使用 completion, 需要包含头文件 <linux/completion.h>。

struct completion my_completion;init_completion(&my_completion);等待 completion 是一个简单事来调用:                  void wait_for_completion(struct completion *c); 注意：这个函数进行一个不可打断的等待. 如果你的代码调用 wait_for_completion 并且

没有人完成这个任务, 结果会是一个不可杀死的进程。 wait_for_completion_timeout( &msg_completion, 4*HZ ); //timeout防止卸载模块时堵塞在这里等待        completion 事件可能通过调用下列之一来发出：void complete(struct completion *c);     void complete_all(struct completion *c);

如果多于一个线程在等待同一个 completion 事件, 这 2 个函数做法不同.complete 只唤醒一个等待的线程, 而 complete_all 允许它们所有都继续。内核笔记:完成变量completion：    http://blog.csdn.net/u013661873/article/details/19201561

8、Linux等待队列：http://www.cnblogs.com/zhuyp1015/archive/2012/06/09/2542882.html

9、补充（各种平台下的多线程）http://www.cnblogs.com/zhuyp1015/archive/2012/06/14/2549973.html

C/C++指针相关 ：  http://www.cnblogs.com/zhuyp1015/archive/2012/06/06/2538959.html

支持kill命令，同时rmmod的时候也能杀死线程: http://www.cnblogs.com/zhuyp1015/archive/2012/06/13/2548494.html

epoll源码学习笔记（linux2.6.32）：http://blog.csdn.net/martin_zy/article/details/7304130

Linux内核线程之深入浅出:   http://blog.163.com/jiams_wang/blog/static/303391492012103010374038/

Linux内核多线程（一）:  http://www.cnblogs.com/zhuyp1015/archive/2012/06/11/2545624.html

说明：这个程序的目的就是，使用一个线程（thread_function_1）通知另外一个线程（thread_function）某个条件（tc == 10）满足（比如接收线程收到10帧然后通知处理线程处理接收到的数据）

运行结果：

程序加载并运行（tc 的值等于10 之后 就会唤醒另外一个线程，之后tc又从10开始计数）：

#include <linux/init.h>   #include <linux/module.h>   #include <linux/kthread.h>   #include <linux/wait.h>MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");  static struct task_struct * _tsk;  static struct task_struct * _tsk1;static int tc = 0;static wait_queue_head_t log_wait_queue;static int thread_function(void *data)  {      do {         　    　　　 printk(KERN_INFO "IN thread_function thread_function: %d times \n", tc);                               wait_event_interruptible(log_wait_queue,tc == 10);                   tc = 0;  ///必须加这一行，内核才会进行调度。内核线程不像应用程序会主动调度，我们需要显式的使用调度函数，想要在thread_function_1中去重置tc的值是不可能的，因为线程不会被调度，该线程会一直占用CPU                                             printk(KERN_INFO "has been woke up !\n");    }while(!kthread_should_stop());      return tc;  }  static int thread_function_1(void *data)  {      do {        　　　　　　 printk(KERN_INFO "IN thread_function_1 thread_function: %d times\n", ++tc);                           if(tc == 10 && waitqueue_active(&log_wait_queue))                   {                            wake_up_interruptible(&log_wait_queue);                   }                   msleep_interruptible(1000);                      }while(!kthread_should_stop());      return tc;  }    static int hello_init(void)  {      printk(KERN_INFO "Hello, world!\n");      init_waitqueue_head(&log_wait_queue);    _tsk = kthread_run(thread_function, NULL, "mythread");     if (IS_ERR(_tsk)) {  //需要使用IS_ERR()来判断线程是否有效，后面会有文章介绍IS_ERR()        printk(KERN_INFO "first create kthread failed!\n");      }      else {          printk(KERN_INFO "first create ktrhead ok!\n");      }            _tsk1 = kthread_run(thread_function_1,NULL, "mythread2");    if (IS_ERR(_tsk1)) {          printk(KERN_INFO "second create kthread failed!\n");      }      else {          printk(KERN_INFO "second create ktrhead ok!\n");      }      return 0;  }  static void hello_exit(void)  {      printk(KERN_INFO "Hello, exit!\n");      if (!IS_ERR(_tsk)){          int ret = kthread_stop(_tsk);          printk(KERN_INFO "First thread function has stopped ,return %d\n", ret);      }      if(!IS_ERR(_tsk1))    {                   int ret = kthread_stop(_tsk1);                   printk(KERN_INFO "Second thread function_1 has stopped ,return %d\n",ret);    }}  module_init(hello_init);  module_exit(hello_exit);  

下面来看使用completion机制的实现代码：

#include <linux/init.h>   #include <linux/module.h>   #include <linux/kthread.h>   #include <linux/wait.h>#include <linux/completion.h>  MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");  static struct completion  comp;  static struct task_struct * _tsk;  static struct task_struct * _tsk1;static int tc = 0; static int thread_function(void *data)  {      do {          　　　　　printk(KERN_INFO "IN thread_function thread_function: %d times \n", tc);                         wait_for_completion(&comp);                   //tc = 0;  ///在哪里都行                                     printk(KERN_INFO "has been woke up !\n");    }while(!kthread_should_stop());      return tc;  }   static int thread_function_1(void *data)  {      do {         　　　　　　printk(KERN_INFO "IN thread_function_1 thread_function: %d times\n", ++tc);                        if(tc == 10)                   {                           complete(&comp);                            tc = 0;                   }                   msleep_interruptible(1000);                      }while(!kthread_should_stop());      return tc;  }  static int hello_init(void)  {      printk(KERN_INFO "Hello, world!\n");      init_completion(&comp);    _tsk = kthread_run(thread_function, NULL, "mythread");     if (IS_ERR(_tsk)) {          printk(KERN_INFO "first create kthread failed!\n");      }      else {          printk(KERN_INFO "first create ktrhead ok!\n");      }            _tsk1 = kthread_run(thread_function_1,NULL, "mythread2");    if (IS_ERR(_tsk1)) {          printk(KERN_INFO "second create kthread failed!\n");      }      else {          printk(KERN_INFO "second create ktrhead ok!\n");      }      return 0;  }  static void hello_exit(void)  {      printk(KERN_INFO "Hello, exit!\n");      if (!IS_ERR(_tsk)){          int ret = kthread_stop(_tsk);          printk(KERN_INFO "First thread function has stopped ,return %d\n", ret);      }      if(!IS_ERR(_tsk1))         {                  int ret = kthread_stop(_tsk1);                   printk(KERN_INFO "Second thread function_1 has stopped ,return %d\n",ret);         }}   module_init(hello_init);  module_exit(hello_exit);