線程間一種高效的消息傳遞方法研究

衛(wèi)洪春

摘 要： 為了實現(xiàn)線程間消息的有效傳遞，在探討進程和線程的概念、進程和線程的區(qū)別、同步和異步處理機制、同步訪問技術、Linux下的軟中斷等技術的基礎上，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。

關鍵詞： 進程； 線程； 異步處理； 同步訪問技術； 消息傳遞

中圖分類號： TN911?34； TP391 文獻標識碼： 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)和應用已非常廣泛，在嵌入式系統(tǒng)或子系統(tǒng)中大部分應用都采用單個CPU，應用層軟件開發(fā)大多使用多線程開發(fā)技術。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。在這種方法中，待傳遞消息的具體內容、構成形式、信息量等都不受限制，可根據(jù)實際需要來構建消息。這就能實現(xiàn)信息與載體的完全無關性和分離。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雜構造型數(shù)據(jù)，攜帶的具體信息數(shù)據(jù)等都不受限制，可根據(jù)實際需要進行定義和構造。

1 進程、線程與信號量

進程是具有一定獨立功能的程序在一定的內存地址空間中，屬于這個程序的數(shù)據(jù)集合上的一次運行活動，它具有產生、運行、死亡的動態(tài)變化的活動過程。在進程產生時，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，所以進程是系統(tǒng)進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。進程將相關的資源組織在一起，這些資源包括：內存地址空間、程序、數(shù)據(jù)等。將這些資源以進程的形式組織起來，可以使操作系統(tǒng)更容易管理這些資源。

線程是進程的一個執(zhí)行實體，它必須屬于某一個進程。線程是CPU調度和分派的基本單位，也是進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，它與同屬一個進程的其他線程共享進程所擁有的這些資源，但只擁有一個線程的進程情況除外。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，故對它的調度所付出的開銷就小得多，能更高效地提高系統(tǒng)內多個任務間并發(fā)執(zhí)行的程度[1?5]。

1.1 進程與線程的主要區(qū)別

進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)。不同進程間的這些資源是隔離的，并受到系統(tǒng)的保護，不允許一個進程直接訪問2個進程的資源。若需要則通過進程間的通信來實現(xiàn)。而同屬于一個進程的多個線程則共享該系統(tǒng)分配給該進程的地址空間、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資源無論對于進程還是線程都不是獨占的，而是共享的。進程不能直接參與CPU資源的分配和調度，而線程是CPU資源分配和調度的單位，可以直接競爭分配和調度。進程必須依賴它的線程參與到CPU資源的競爭分配和調度中，從而獲得CPU資源。多線程主要是為了減少在CPU調度切換時消耗的時間，充分發(fā)揮CPU的效率。

（2） 通信：由于進程的地址空間、代碼空間和數(shù)據(jù)都受到保護，相互之間都是透明的。所以要想在進程間進行信息的傳遞通信，就需要使用IPC來實現(xiàn)。屬于一個進程的不同線程間的通信相當容易，直接讀/寫進程數(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。這就需要在進行線程間通信時，保證通信時的原子操作。

（3） 調度和切換：進程進行上下文切換時，需要保存切換出去進程的地址空間、代碼空間、數(shù)據(jù)、當前堆棧和程序計數(shù)器等資源信息，還需恢復已調度進程的資源信息。而在同一個進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，恢復調度過的線程的相關資源。因線程不需要維護和管理數(shù)據(jù)空間和運行空間，在進行切換時，需要保存和恢復的內容就比進程少得多，所以線程上下文切換比進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程或線程間存在嚴格的運行次序，且運行的結果及返回具有依賴性。這些進程或線程之間是相互配合、協(xié)助與合作的關系。在這一特定功能的協(xié)作尚未完成之前，是不會響應其他的請求。

異步處理，就是多個進程或線程間不存在運行次序問題和依賴關系。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，以達到時刻維護數(shù)據(jù)完成性和一致性的目的，就是使用同步訪問技術。

1.3 同步訪問技術

（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：采用互斥對象機制。只有擁有互斥對象的線程才有訪問公共資源的權限，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。互斥不僅能實現(xiàn)同一應用程序的公共資源安全共享，還能實現(xiàn)不同應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，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，再進行競爭這個信號量的持有權。信號量保證了在某一時間段內只有一個線程訪問臨界區(qū)，而其他需要訪問的線程進行等待。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，需要它進行適當?shù)奶幚怼Ｐ盘栔皇怯脕硗ㄖ尘€程發(fā)生了什么事件，并不會給該線程傳遞任何有關該事件的數(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)的默認值，這種缺省操作對大部分的信號而言是進程終止。進程通過系統(tǒng)調用signal來指定進程對某個信號的處理行為。在進程表的表項中有一個軟中斷信號域，該域的每位對應一個信號。當有信號發(fā)送給進程時，對應位置位。由此可以看出，進程對不同的信號可以同時保留，但對于同一個信號，進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：當向一個進程發(fā)送singal時，當進程還沒有處理該信號（此時被稱作pending，未決信號）或正在調用信號處理函數(shù)時，進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)送的信息內容放到指定的共享內存空間中，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，到指定的所屬進程內存空間獲取具體的消息內容，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存空間用于存放傳遞消息的內容；所以在存放和提取消息內容時，需要使用前述的線程間同步與互斥機制，保證消息內容在傳遞過程中不被破壞和保持數(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容獲知，選擇用于應用程序的SIGUSER1即可。傳遞具體消息的內容、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存空間中；接收線程收到信號后，就到這個固定的內存空間來獲取消息。

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容存放在共享內存空間位置，將消息內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容。Linux下的signal在進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，即線程共享內存中的地址。線程都可以訪問共享內存空間，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將欲傳遞的消息內容沿著①的方向放在進程p的內存空間的地址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，只與系統(tǒng)資源的限制有關。這也對2個線程進行相互隔離，屏蔽了消息的產生和消息處理的具體過程。

4 結 語

在用戶空間的應用程序中，一個進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，又相互關聯(lián)。在他們之間，都處于同一個進程內部，進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和范圍[13?17]，降低軟件實現(xiàn)的復雜度，具有較強的現(xiàn)實作用和意義，為線程間進行消息交互提供了較好的參考方法和思路。

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