QNX環(huán)境下多線程編程

作者Email: zoutom@163.com 摘要:介紹了QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和多線程編程技術(shù)，包括線程間同步的方法、多線程程序的分析步驟、線程基本程序結(jié)構(gòu)以及實(shí)用編譯方法。 關(guān)鍵詞:QNX;多線程;同步;程序結(jié)構(gòu) 0引言： QNX是由加拿大QNX軟件有限系統(tǒng)公司開發(fā)的一種多任務(wù)、分布式、可嵌入的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它有著輕巧的微內(nèi)核，可以對(duì)進(jìn)程進(jìn)行全面的地址保護(hù)，可剪裁，模塊化程度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，安全可靠。符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的API使它成為一個(gè)開放式互聯(lián)系統(tǒng)，便于與UNIX/LINUX系統(tǒng)的移植。QNX有著不同于 UNIX或LINUX的模塊化設(shè)計(jì)思想，并不是UNIX或LINUX的一種演化，而是完全不同的一種全新的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。由于其獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)，QNX廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、機(jī)器人工程、工業(yè)控制、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。 在QNX中，線程是一個(gè)單一的控制執(zhí)行流。從程序的最低層角度考慮，線程包括當(dāng)前指令位置指針(也稱為計(jì)數(shù)器或PC)、棧頂指針(SP)和一些寄存器，而進(jìn)程占據(jù)一定的內(nèi)存空間，是一個(gè)或多個(gè)線程的集合。在同一進(jìn)程中的線程共享許多資源，在QNX系統(tǒng)中共享的資源有：內(nèi)存中儲(chǔ)存在棧區(qū)以外的變量——即非局部變量;信號(hào)處理器;信號(hào)忽略屏蔽字;通道——建立于服務(wù)器端;連接——建立于客戶端，而在不同進(jìn)程中的線程除了CPU之外，幾乎不共享任何資源。當(dāng)然 QNX提供了shm_open()函數(shù)來使不同進(jìn)程中的線程共享一段內(nèi)存。 在早期的QNX版本如QNX4中，對(duì)于線程的支持是比較弱的，在當(dāng)時(shí)的條件下，處理大型、復(fù)雜的并發(fā)多任務(wù)問題時(shí)，常常將問題分解為多個(gè)進(jìn)程以降低問題的復(fù)雜性。而且QNX提供了與UNIX類似的進(jìn)程間通訊IPC手段如消息、代理、信號(hào)燈等，功能也相對(duì)比較成熟、完善。1999年以后 QNX軟件公司推出了QNX/Neutrino實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的Neutrino2.0、Neutrino6.0增加了對(duì)于POSIX線程的支持，標(biāo)準(zhǔn)的 API不但使它易于擴(kuò)展，而且也使得編寫多線程程序變得容易。由于線程具上下文較輕、切換較快、在創(chuàng)建多個(gè)線程時(shí)系統(tǒng)的開銷比較小、通訊手段靈活多樣、共享資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，在處理大型并發(fā)多任務(wù)問題時(shí)多線程有了明顯的優(yōu)勢(shì)。QNX是搶先式多任務(wù)系統(tǒng),這種系統(tǒng)決定了多個(gè)線程在訪問共享資源時(shí)線程執(zhí)行的次序變得不可預(yù)期，所以線程間的同步就顯得極為重要。QNX提供了多種同步機(jī)制以保證多線程程序的安全、可靠。 1 QNX多線程庫(kù)函數(shù)簡(jiǎn)介 QNX與LINUX不同，沒有單獨(dú)的線程庫(kù)，與線程有關(guān)的API是作為C語言庫(kù)函數(shù)的一部分使用的，頭文件是，同樣方便地提供線程的創(chuàng)建、終止和同步等功能。QNX不僅在C語言庫(kù)函數(shù)中提供了符合POSIX1003.1c標(biāo)準(zhǔn)的與線程相關(guān)的API，而且還提供了很多POSIX標(biāo)準(zhǔn)沒有的擴(kuò)展功能，使得多線程編程變得更加容易。 1.1線程的創(chuàng)建、取消和終止 1.11線程的創(chuàng)建 QNX通過pthread_create()函數(shù)創(chuàng)建線程，API定義如下： int pthread_create( pthread t* thread, const pthread attr t* attr, void* (*start routine)(void* ), void* arg ); pthread_create()創(chuàng)建的線程執(zhí)行start routine() 函數(shù)，thread返回創(chuàng)建的線程描述符，而attr是創(chuàng)建線程時(shí)設(shè)置的線程屬性，arg可以作為任意類型的參數(shù)傳給start routine()函數(shù)。QNX對(duì)創(chuàng)建線程前需要設(shè)置的線程屬性進(jìn)行了擴(kuò)展，增加了POSIX標(biāo)準(zhǔn)無法設(shè)置的屬性如：可以禁止一個(gè)線程的取消(終止操作);可以設(shè)置一個(gè)線程的取消類型;可以指定當(dāng)一個(gè)線程接到信號(hào)時(shí)，它如何操作。 1.12 線程的取消 QNX通過調(diào)用int pthread_cancel(pthread_t thread)函數(shù)取消由thread指定的線程，如果成功則返回0，否則為非0，成功并不意味著thread會(huì)終止，要視取消的狀態(tài)和類型而定。QNX 提供了設(shè)定取消狀態(tài)和類型的API pthread_setcancelstate()和pthread_setcanceltype(),取消的狀態(tài)有兩種：PTHREAD_CANCEL_ENABLE表示將線程設(shè)為取消狀態(tài)，PTHREAD_CANCEL_DISABLE表示忽略取消狀態(tài);取消的類型也有兩種： THREAD_CANCEL_DEFFERED表示執(zhí)行到取消點(diǎn)取消，PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS表示立即取消。 1.13 線程的終止 QNX中終止一個(gè)線程需要調(diào)用pthread exit()，其API定義： void pthread exit( void* value ptr ); 當(dāng)一個(gè)線程在執(zhí)行了start routine()函數(shù)后返回時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)隱式調(diào)用pthread exit()使其退出，start routine()的返回值，作為線程的退出狀態(tài)。在一個(gè)線程中也可以顯式調(diào)用pthread exit()退出，對(duì)于單線程進(jìn)程而言，調(diào)用pthread exit()與調(diào)用exit(0)是等效的。 1.2 線程的常用控制函數(shù) pthread_self() API: pthread_t pthread_self(void); 說明：返回線程描述符,pthread_create()返回值相同。 pthread_equal() API: int pthread_equal(pthread_t t1,pthread_t t2); 說明：t1,t2為線程描述符，可調(diào)用pthread_self()和pthread_create()得到。此函數(shù)功能為比較兩個(gè)線程的描述符，不管線程描述符是否合法。如果返回值為非零說明兩個(gè)線程是同一線程，為零說明兩個(gè)線程不是同一線程。 pthread_join() API: int pthread_join(pthread_t thread, void** value_ptr); 說明：thread 為等待終止的目標(biāo)線程，value_ptr為一指針，當(dāng)值不為NULL時(shí)指向一個(gè)內(nèi)存空間，這個(gè)空間用來存放目標(biāo)線程傳給pthread_exit()的數(shù)據(jù)。調(diào)用pthread_join()的線程將被掛起，直到目標(biāo)線程終止。一個(gè)線程僅允許唯一的線程使用pthread_join()等待它的終止，并且被等待的線程應(yīng)該處于非DETACHED狀態(tài)。QNX也提供了非POSIX的 pthread_timedjoin()，不同之處是線程在給定時(shí)間里沒有被join時(shí)，此函數(shù)會(huì)返回一個(gè)錯(cuò)誤信息。 pthread_detach() API: int pthread_detach(pthread_t thread); 說明：此函數(shù)功能是將一給定線程thread分離，當(dāng)一個(gè)出于分離狀態(tài)的線程終止時(shí)，線程擁有的所有系統(tǒng)資源將被立即釋放。 2 QNX線程的互斥和同步機(jī)制 線程間的互斥操作是指對(duì)于特定的一段代碼或一個(gè)變量，在程序運(yùn)行時(shí)只能有一個(gè)線程對(duì)其進(jìn)行操作，其他線程不能同時(shí)進(jìn)入代碼或修改變量。線程間的同步操作是指若干個(gè)線程都等待某個(gè)事件的發(fā)生，當(dāng)這個(gè)事件發(fā)生時(shí)，所有的線程同時(shí)進(jìn)行下一步工作。為了防止競(jìng)爭(zhēng)條件和數(shù)據(jù)被破壞的情況發(fā)生，QNX提供了多種互斥和同步機(jī)制，包括互斥體、條件變量、信號(hào)燈、屏障、讀/寫鎖、sleepon鎖等，其中最主要的是互斥體和條件變量，其余的同步機(jī)制都是由他們組合而成的，當(dāng)然你也可以根據(jù)自己的要求構(gòu)建自己的同步機(jī)制。 互斥體——QNX使用了互斥體來實(shí)現(xiàn)互斥操作，在初始化互斥體后，將給定的代碼或變量的前后進(jìn)行加鎖、解鎖操作，線程在訪問之前要先得到互斥體，這樣就可以保證只有一個(gè)線程能訪問到代碼或變量，而其余的線程會(huì)處于阻塞狀態(tài)直到互斥體被釋放。這種機(jī)制保證了線程對(duì)資源訪問的互斥性，達(dá)到了對(duì)代碼或變量的保護(hù)。 條件變量——QNX的條件變量用來同步線程，所有線程都會(huì)等待一個(gè)條件變量可用，當(dāng)條件滿足時(shí)，一個(gè)線程發(fā)出廣播或信號(hào)來同步所有的線程或某一線程。為了防止多個(gè)線程同時(shí)申請(qǐng)等待而產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，條件變量通常要與互斥體聯(lián)合使用。 信號(hào)燈——QNX信號(hào)燈也是一種符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的的同步機(jī)制，它是由互斥體和條件變量結(jié)合一些數(shù)據(jù)構(gòu)造而成的，QNX系統(tǒng)將其封裝在C語言庫(kù)函數(shù)中，頭文件是。它的功能很強(qiáng)大，可以允許多個(gè)線程訪問同一資源，可以通過設(shè)定燈值來限定線程的個(gè)數(shù)，燈值為一時(shí)它就是互斥體。 屏障——POSIX 1003.1j提議的內(nèi)容，主要由互斥體、條件變量和計(jì)數(shù)器構(gòu)造而成。作用是停止某些線程，當(dāng)所要求的線程數(shù)量到達(dá)屏障時(shí)，所有的線程被允許繼續(xù)運(yùn)行。屏障通常被用來確保某些并行算法中的所有合作線程在任何線程可以繼續(xù)運(yùn)行以前到達(dá)算法中的一個(gè)特定點(diǎn)。 讀/寫鎖——POSIX 1003.1j提議的內(nèi)容，主要由一個(gè)互斥體和兩個(gè)條件變量構(gòu)造，兩個(gè)條件變量分別控制讀寫操作。讀/寫鎖允許多個(gè)線程同時(shí)讀數(shù)據(jù)，但是禁止任何線程修改正在被其他線程讀或修改的數(shù)據(jù)，也可以讓一個(gè)線程獨(dú)占寫訪問，但此時(shí)任何讀訪問的線程都不能繼續(xù)，直到讀/寫鎖被釋放，所以讀/寫鎖被用來保護(hù)經(jīng)常需要讀但是通常不需要修改的信息。 Sleepon鎖——QNX6所獨(dú)有的一種同步機(jī)制，由一個(gè)互斥體和一些數(shù)據(jù)構(gòu)造而成，與條件變量相似但是用法比較簡(jiǎn)單。它與條件變量的不同在于當(dāng)有N個(gè)線程阻塞在M個(gè)對(duì)象的時(shí)候，如果用條件變量來同步時(shí)需要用到M個(gè)條件變量，而sleepon鎖為每個(gè)線程自動(dòng)分配條件變量，只需要N個(gè)條件變量，使用合適可以節(jié)約系統(tǒng)資源。 3 多線程程序的設(shè)計(jì)分析與基本結(jié)構(gòu) 3.1多線程程序的設(shè)計(jì)分析 1)確定完成任務(wù)所需的最少線程個(gè)數(shù)。 多余的線程只會(huì)使程序的復(fù)雜性增加，出錯(cuò)的可能性也隨之增加。設(shè)計(jì)程序時(shí)要遵循簡(jiǎn)單、高效、安全的原則，如果用單線程能夠很好的完成任務(wù)，那么一定不要用多線程。 2)分析多線程需要共享的數(shù)據(jù)。 在多線程程序中常常需要共享一些數(shù)據(jù)，通常是一些全局變量，如果數(shù)據(jù)量很大可能需要開辟共享內(nèi)存區(qū)。 3) 根據(jù)共享數(shù)據(jù)的特點(diǎn)選擇需要的保護(hù)機(jī)制。 多個(gè)線程需要寫操作的變量可以用互斥體保護(hù)，經(jīng)常需要讀操作而很少進(jìn)行寫操作的可以用讀/寫鎖保護(hù)等。 4) 分析工作線程需要訪問資源。 工作線程可能需要訪問硬件，等待硬件響應(yīng)、可能需要訪問某一數(shù)據(jù)庫(kù)、也可能不訪問任何資源只是進(jìn)行一些計(jì)算等等。這時(shí)需要考慮相應(yīng)的同步機(jī)制，可以用條件變量結(jié)合互斥體，也可以用更為簡(jiǎn)單的sleepon鎖。 5)進(jìn)行線程的清理工作。 線程完成工作后可能會(huì)自動(dòng)退出，也可能會(huì)阻塞在某處，甚至工作線程還沒完成工作的時(shí)候主線程已經(jīng)退出，造成整個(gè)進(jìn)程的結(jié)束，使程序失敗。有多種方法可以完成線程的清理工作，可以讓主線程調(diào)用pthread_join()函數(shù)清理工作線程，可以用屏障同步機(jī)制清理，也可以用條件變量來完成清理工作。 3.2多線程程序的基本結(jié)構(gòu) 多線程編程的結(jié)構(gòu)有很多種，但基本的編程結(jié)構(gòu)總結(jié)起來有三種：流水線結(jié)構(gòu)、工作組結(jié)構(gòu)、客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)可以以任意方式組合，來滿足實(shí)際工程的需求。 1) 流水線結(jié)構(gòu) 在流水線結(jié)構(gòu)中，需要處理的“數(shù)據(jù)”串行地被一組線程順序處理，每個(gè)線程依次在每個(gè)數(shù)據(jù)元素上執(zhí)行一個(gè)特定的操作，完成操作后將結(jié)果傳遞給流水線中的下一個(gè)線程。如圖1所示。

2) 工作組結(jié)構(gòu) 在工作組結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)有一組線程分別獨(dú)立地處理，每個(gè)線程處理不同的部分。由于所有的工作線程在不同的數(shù)據(jù)部分上執(zhí)行相同的操作，這種模式通常被稱為 SIMD(單指令多數(shù)據(jù)流)并行處理。但是工作組中的線程可以不使用SIMD模型，他們可以在不同的數(shù)據(jù)上執(zhí)行不同的操作。工作組結(jié)構(gòu)是多線程程序應(yīng)用較多的一種結(jié)構(gòu)。如圖2所示

圖2 工作組結(jié)構(gòu) 3) 客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu) 在客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)中，客戶請(qǐng)求服務(wù)器對(duì)一組數(shù)據(jù)執(zhí)行某個(gè)操作?？蛻舳霜?dú)立地執(zhí)行操作，而客戶端或者等待服務(wù)器執(zhí)行的結(jié)果，或者并行執(zhí)行另外的任務(wù)，在后面需要時(shí)在查找結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)又是一種對(duì)某些公共資源同步管理的簡(jiǎn)單方式。如圖3

4 QNX Neutrino內(nèi)核對(duì)于線程功能的擴(kuò)展 具有Neutrino內(nèi)核的QNX6操作系統(tǒng)對(duì)線程的功能進(jìn)行了擴(kuò)展，提供了一些POSIX標(biāo)準(zhǔn)沒有提供的功能。 1)POSIX標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用互斥體的線程必須在同一進(jìn)程內(nèi)，作為擴(kuò)展QNX支持在不同進(jìn)程中的線程使用互斥體。如果在兩個(gè)進(jìn)程間創(chuàng)建一塊共享內(nèi)存，并在內(nèi)存中初始化一個(gè)互斥體，那么兩個(gè)進(jìn)程之間的線程可以用這個(gè)互斥體來進(jìn)行同步操作，這是POSIX做不到的。 2) QNX操作系統(tǒng)還提出了一種獨(dú)特的“線程池”概念。當(dāng)程序需要很多線程同時(shí)工作時(shí)，利用“線程池”可以將線程的個(gè)數(shù)限定在一定的范圍內(nèi)。“高水位”、“低水位”的概念分別對(duì)應(yīng)著程序中的最大線程數(shù)和最小線程數(shù)。當(dāng)程序中線程數(shù)目小于“低水位”時(shí)，“線程池”會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建新的線程進(jìn)行工作，當(dāng)線程數(shù)目大于“高水位”時(shí)，“線程池”會(huì)“清除”多于的線程，以防止溢出。這樣程序?qū)⑹冀K保持著一定數(shù)量的線程在工作，“線程池”特別適用客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，可以很好地保護(hù)服務(wù)器的資源。QNX提供了專門的程序庫(kù)來管理“線程池”頭文件是,相應(yīng)的API主要有：thread_pool_create()，用于建立一個(gè)線程池,thread_pool_destroy()程序運(yùn)行結(jié)束后用它來清除線程池，thread_pool_start()用來啟動(dòng)一個(gè)線程池。 5 QNX系統(tǒng)下實(shí)用編譯方法 筆者編制了QNX環(huán)境下的通用Makefile，用于編譯多線程程序，當(dāng)然也適用于單線程程序的編譯，而這個(gè)Makefile稍加改動(dòng)便可以用于 LINUX/UNIX系統(tǒng)中，筆者在RedHat Linux7下試驗(yàn)通過。用法，首先將此Makefile 和所要編譯的c/c++程序(支持多個(gè)c/c++程序)/頭文件放置于一個(gè)目錄中，在終端上鍵入make，此Makefile將自動(dòng)把所有相關(guān)源代碼連接編譯成名為go的可執(zhí)行文件，要運(yùn)行編譯好的程序，只需在終端上鍵入./go便可。在終端上鍵入make clean將把所有的編譯產(chǎn)生的臨時(shí)文件刪除，只留下原始文件和make文件，在終端上鍵入make depend將檢查文件的依賴性，源代碼如下： EXECUTABLE=go LINKCC=$(CC) #如果用于LINUX/UNIX系統(tǒng)，要求安裝可移植線程庫(kù)，并裝入下列函數(shù)庫(kù) #LIBS=-lm –lpthread -lsocket #如果用于QNX系統(tǒng)裝入下面的函數(shù)庫(kù) LIBS=-lm –lsocket #如果編譯c++程序?qū)⑾旅鎔cc改為g++ CC=gcc CFLAGS=-Wall -g CXX=g++ CXXFLAGS=$(CFLAGS) SRCS:=$(wildcard *.c) $(wildcard *.cc) $(wildcard *.C) OBJS:=$(patsubst %.c,%.o,$(wildcard *.c)) $(patsubst %.cc,%.o,$(wildcard *.cc)) $(patsubst %.C,%.o,$(wildcard *.C)) DEPS:=$(patsubst %.o,%.d,$(OBJS)) all:$(EXECUTABLE) $(EXECUTABLE):$(DEPS) $(OBJS) $(LINKCC) $(LDFLAGS) -o $(EXECUTABLE) $(OBJS) $(LIBS) %.d:%.c $(CC) -M $(CPPFLAGS) $< >$@ $(CC) -M $(CPPFLAGS) $< |sed s/\.o/.d/>$@ %.d:%.cc $(CXX) -M $(CPPFLAGS) $< >$@ $(CXX) -M $(CPPFLAGS) $< |sed s/\.o/.d/>$@ %.d:%.C $(CXX) -M $(CPPFLAGS) $< >$@ $(CXX) -M $(CPPFLAGS) $< |sed s/\.o/.d/>$@ clean: -rm $(OBJS) $(EXECUTABLE) $(DEPS) # -rm ./*.* 如果有一些臨時(shí)的記錄文件無法自動(dòng)去掉加在這里 depend: $(DEPS) @echo "Dependencies are now up-to-date." 6 總結(jié) QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性很好，上下文切換時(shí)間、中斷延時(shí)都非常微小，本身提供了對(duì)于多線程技術(shù)的強(qiáng)大支持，如果在QNX下使用多線程編程技術(shù)來解決大型并發(fā)多任務(wù)系統(tǒng)的控制調(diào)度，其優(yōu)勢(shì)是很大的，前景也是很廣闊的。