POSIX（Portable Operating System Interface Threads，Pthread）是基于POSIX標(biāo)準(zhǔn)的線程編程接口，它使程序能夠在多處理器或多核系統(tǒng)上并行處理多個任務(wù)，有效地提高了執(zhí)行效率和系統(tǒng)響應(yīng)速度。與單線程應(yīng)用程序相比，POSIX線程支持更高效的資源共享和任務(wù)并行性，其強大的可移植性允許跨平臺應(yīng)用程序并易于在不同操作系統(tǒng)之間移植。

POSIX線程經(jīng)歷了一個重要的發(fā)展階段。最初，POSIX標(biāo)準(zhǔn)作為統(tǒng)一UNIX系統(tǒng)中多線程的國際標(biāo)準(zhǔn)，旨在提供一種跨平臺的線程支持方案。隨后，Linux系統(tǒng)使用LinuxThreads來實現(xiàn)線程管理，但這種方案在信號處理和線程同步方面存在局限性。為了解決這些問題并進一步提高性能和標(biāo)準(zhǔn)之間的兼容性，開發(fā)人員后來引入了NPTL（原生POSIX線程庫）。NPTL不僅顯著提高了性能，而且在遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)方面更加嚴格，成為GNU C庫的核心組件，極大地優(yōu)化了Linux系統(tǒng)的多線程處理能力。

POSIX線程管理涉及精細的屬性設(shè)置，包括優(yōu)先級調(diào)整、堆棧大小控制、線程調(diào)度、線程同步和互斥。在這些功能的支持下，POSIX線程可以廣泛應(yīng)用于各種需要高實時性的領(lǐng)域，例如實時測量設(shè)備的協(xié)同操作和自動處理、GPS實時數(shù)據(jù)處理、超聲數(shù)據(jù)成像和實時采集。與微軟的Win32線程相比，POSIX線程遵守國際開放標(biāo)準(zhǔn)，具有更高的可用性和可移植性。與Java線程相比，它在底層提供了更精細的線程控制，特別適合C和C++環(huán)境，滿足了高實時性的需求。

POSIX標(biāo)準(zhǔn)的起源

1985年，IEEE著手為類Unix系統(tǒng)制定統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)。最初，項目組考慮使用“IEEEIX”作為標(biāo)準(zhǔn)名稱，但這一名稱被認為難以普及，可能會引起混淆。這時，理查德·斯托爾曼（Richard Stallman）提議使用“POSIX”作為標(biāo)準(zhǔn)名稱。他將“便攜操作系統(tǒng)”的首字母與后綴“ix”結(jié)合起來，創(chuàng)造了“POSIX”這個易于發(fā)音和記憶的名稱。斯托曼的提議很快被IEEE委員會采納，這避免了標(biāo)準(zhǔn)可能無意中升級競爭對手美國電話電報公司的Unix系統(tǒng)的問題。

POSIX線程技術(shù)的發(fā)展和重點項目

1996年，Xavier Leroy在Linux系統(tǒng)中引入了LinuxThreads庫，這是在Linux系統(tǒng)中支持內(nèi)核級線程的首次嘗試。LinuxThreads可以利用克隆系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個共享父進程地址空間的新進程，實現(xiàn)線程的基本功能。然而，這種實現(xiàn)在信號處理、調(diào)度和進程間同步原語方面與POSIX線程標(biāo)準(zhǔn)存在明顯的兼容性問題。這些限制阻礙了Linux在多線程管理方面的進一步發(fā)展，特別是其在企業(yè)應(yīng)用程序中的廣泛應(yīng)用。

為了解決Linux線程的問題，NGPT（下一代POSIX線程）項目于1998年啟動。NGPT是由包括IBM在內(nèi)的幾個開發(fā)團隊開發(fā)的，目標(biāo)是全面改革L(fēng)inux中的POSIX線程實現(xiàn)。與此同時，Red Hat的開發(fā)人員還啟動了NPTL（Native POSIX Thread Library）項目，計劃集成NGPT和LinuxThreads的優(yōu)勢和特性。這兩個項目在2002年密切合作，以整合各自的技術(shù)優(yōu)勢。

2003年，NPTL在Red Hat Linux 9中正式發(fā)布，并從Linux 2.6版開始包含在Linux內(nèi)核中。NPTL解決了以前的線程模型無法搶占和放棄系統(tǒng)資源的問題，顯著提高了POSIX標(biāo)準(zhǔn)的兼容性和系統(tǒng)性能。NPTL的成功標(biāo)志著POSIX線程在Linux中實現(xiàn)的重大突破。該技術(shù)已成為GNU C庫的核心組件，極大地提高了Linux系統(tǒng)的多線程處理能力。

開發(fā)其他工具

隨著NPTL的普及，社區(qū)也開發(fā)了一些輔助工具，如2005年發(fā)布的POSIX線程跟蹤工具（PTT）和open POSIX測試套件（OPTS）。這些工具支持Linux中多線程應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試，進一步推動了多線程技術(shù)在Linux平臺上的應(yīng)用和發(fā)展。

POSIX線程模型定義了在操作系統(tǒng)或運行時環(huán)境中如何創(chuàng)建、調(diào)度、管理和終止線程。在操作系統(tǒng)中，線程模型分為用戶線程模型、內(nèi)核線程模型和兩級線程模型。

用戶線程模型：在POSIX用戶線程模型中，線程管理操作完全在用戶空間中進行。線程的調(diào)度和管理不需要操作系統(tǒng)內(nèi)核的直接干預(yù)，從而減少了上下文切換的開銷，提高了運行效率。在該模型中，由于操作系統(tǒng)內(nèi)核將這些線程視為單個執(zhí)行實體，因此一個線程的阻塞將影響同一進程中的所有線程。

內(nèi)核線程模型：在POSIX內(nèi)核線程模型下，每個線程都由操作系統(tǒng)內(nèi)核直接管理和調(diào)度。內(nèi)核可以在不同的處理器內(nèi)核上并行調(diào)度線程，這使得線程可以更好地利用多核處理器的優(yōu)勢。內(nèi)核級線程支持真正的并發(fā)執(zhí)行，一個線程的阻塞不會影響進程中的其他線程。這種模型需要通過系統(tǒng)調(diào)用與內(nèi)核進行交互，這將消耗更多資源，并且需要更長時間來創(chuàng)建和管理線程。

兩級線程模型：在POSIX模型中，兩級線程模型結(jié)合了用戶線程和內(nèi)核線程的優(yōu)點，提供了靈活的線程管理策略。在這個模型中，線程可以映射到一個或多個內(nèi)核線程。這種映射策略允許應(yīng)用程序根據(jù)需要調(diào)整線程的并發(fā)級別，同時可以避免單個線程阻塞整個進程的問題。

線程的生命周期通常包括幾個階段:創(chuàng)建、開始、執(zhí)行、阻塞、終止和恢復(fù)。

創(chuàng)建:當(dāng)調(diào)用pthread_create函數(shù)創(chuàng)建新線程時，它確保新線程已創(chuàng)建并在返回前處于就緒狀態(tài)。也就是說，盡管pthread_create將在新線程準(zhǔn)備就緒后返回，但新線程的實際執(zhí)行開始時間取決于操作系統(tǒng)的調(diào)度策略。因此，新線程可能在pthread_create函數(shù)返回之前開始執(zhí)行，也可能在函數(shù)返回之后開始執(zhí)行，具體取決于操作系統(tǒng)的調(diào)度決策。

啟動:一個線程通過pthread_create創(chuàng)建并執(zhí)行一個啟動函數(shù)。在初始線程中，線程的“啟動函數(shù)（main）”是從程序外部調(diào)用的。應(yīng)該用pthread_exit終止初始線程，以允許進程中的其他線程繼續(xù)運行。初始線程的堆棧大小與其他線程不同，這可能會受到更多限制，并且堆棧溢出會導(dǎo)致錯誤。

運行和阻塞:線程在其生命周期中主要經(jīng)歷三種狀態(tài):就緒、運行和阻塞。新創(chuàng)建或未阻塞的線程處于就緒狀態(tài)，等待處理器分配。當(dāng)處理器選擇一個線程來執(zhí)行時，它就變成了運行狀態(tài)。線程通過等待資源（如互斥體）、條件變量、信號或完成I/O操作而進入阻塞狀態(tài)。線程從阻塞狀態(tài)釋放后，它將再次進入就緒狀態(tài)，并可能立即執(zhí)行或等待處理器再次可用。

終止:線程通過從啟動函數(shù)返回或調(diào)用pthread_exit來終止。如果設(shè)置了特定于線程的數(shù)據(jù)，將調(diào)用相應(yīng)的析構(gòu)函數(shù)。

回收:如果線程在創(chuàng)建時被設(shè)置為分離狀態(tài)，或者被pthread_detach調(diào)用，當(dāng)它終止時將立即被回收。未分離的線程終止后，需要通過pthread_detach或pthread_join進行回收。線程回收將釋放所有系統(tǒng)或進程資源，包括線程返回值的存儲空間、堆棧和寄存器狀態(tài)的內(nèi)存等。這些資源不再被其他線程訪問。

線程管理在現(xiàn)代多線程應(yīng)用中起著關(guān)鍵作用。通過并行處理任務(wù)，它可以顯著提高程序效率并優(yōu)化多核處理器資源的使用。允許在同一進程中共享內(nèi)存和資源，提高數(shù)據(jù)交換和通信的效率，并增強應(yīng)用程序的響應(yīng)能力。

線程管理可以分為線程創(chuàng)建、線程終止和線程屬性。

創(chuàng)建線程：創(chuàng)建POSIX線程需要調(diào)用pthread_create（）函數(shù)，傳入一個線程標(biāo)識符指針、一個線程屬性指針（可以為空以使用默認屬性）、一個線程函數(shù)指針和一個函數(shù)參數(shù)。函數(shù)創(chuàng)建成功時結(jié)果返回0，失敗時返回錯誤號；線程函數(shù)完成后，它通過返回void* value結(jié)束，或者可以被取消，允許它通過pthread_join（）捕獲其退出狀態(tài)。

線程屬性：設(shè)置線程優(yōu)先級

這種優(yōu)先級配置不僅提高了系統(tǒng)處理關(guān)鍵任務(wù)的能力，還優(yōu)化了整體運行效率和響應(yīng)時間，這是實時系統(tǒng)編程中的重要功能。

在POSIX線程規(guī)范中，線程優(yōu)先級允許用戶指定線程的執(zhí)行順序。用戶可以通過調(diào)用sched_get_priority_min和sched_get_priority_max來查詢系統(tǒng)支持的實時優(yōu)先級范圍，這通常適用于SCHED_FIFO（先進先出）和SCHED_RR（輪詢調(diào)度）調(diào)度策略。

例如，在Linux中，實時優(yōu)先級的范圍通常是從1到99。要設(shè)置線程優(yōu)先級，用戶需要選擇一個值，并使用sched_setscheduler系統(tǒng)調(diào)用將其應(yīng)用于線程或進程。如果pid參數(shù)為0，則表示修改調(diào)用進程的調(diào)度屬性。優(yōu)先級配置增強了系統(tǒng)處理關(guān)鍵任務(wù)的能力，提高了運行效率和響應(yīng)時間，對于實時系統(tǒng)編程非常重要。

控制線程堆棧大小：在POSIX線程中，合理設(shè)置線程堆棧大小對于優(yōu)化程序性能和內(nèi)存管理非常重要。

在Linux x86-32位系統(tǒng)中，線程的默認堆棧大小為2MB；在64位IA-64架構(gòu)中，默認大小為32MB。這些默認值通常滿足大多數(shù)應(yīng)用程序的一般要求。開發(fā)人員可以通過pthread_attr_setstacksize（）函數(shù)自定義線程堆棧大小，該函數(shù)需要兩個參數(shù):線程屬性對象的指針和要設(shè)置的堆棧大?。▎挝?字節(jié)）。設(shè)置后，可以使用pthread_attr_getstacksize（）函數(shù)檢查堆棧大小是否符合預(yù)期。設(shè)置堆棧大小時，請確保它不低于系統(tǒng)的最小堆棧限制。系統(tǒng)支持的堆棧大小范圍可以通過調(diào)用sysconf（SC _ THREAD _ STACK _ MIN）來確認。

可連接狀態(tài)（可接合狀態(tài)）：在POSIX線程中，線程連接是一個進程，其中一個線程通過pthread_join（）函數(shù)暫停執(zhí)行，直到另一個特定線程結(jié)束。線程連接保證了在線程結(jié)束時可以及時回收資源，同時防止了因資源未回收而導(dǎo)致的僵尸線程現(xiàn)象。線程連接是線程同步的一個重要方面，它確保一個線程完成工作后，其他線程可以繼續(xù)安全執(zhí)行，實現(xiàn)有效的線程間協(xié)調(diào)和資源利用。這對于保持程序的運行效率和系統(tǒng)資源的整體管理非常重要。

分離狀態(tài)：在POSIX線程中，默認情況下線程是可連接的?？梢酝ㄟ^pthread_detach（）函數(shù)設(shè)置線程分離，以便線程結(jié)束時不會留下任何要處理的資源。當(dāng)線程處于分離狀態(tài)時，它會在執(zhí)行后自動清理并釋放所有占用的資源，而無需其他線程的干預(yù)。一旦線程被設(shè)置為分離狀態(tài)，任何對其使用pthread_join（）的嘗試都將導(dǎo)致失敗。線程可以在其生命周期的任何階段設(shè)置為分離狀態(tài)。一旦設(shè)置，它將在任務(wù)完成后立即釋放所有資源。它消除了對pthread_join（）的依賴，并使資源恢復(fù)更快。

線程ID：在POSIX線程中，每個線程都有一個唯一的標(biāo)識符，稱為線程ID。線程ID可用于查詢特定線程的狀態(tài)，或管理線程之間的關(guān)系和數(shù)據(jù)交換。線程的創(chuàng)建和線程ID的獲取通常由pthread_create函數(shù)實現(xiàn)，該函數(shù)填充一個pthread_t類型的變量，該變量唯一標(biāo)識進程中的一個線程。同時，線程ID可以幫助開發(fā)人員實現(xiàn)特定線程的特定操作，例如調(diào)整優(yōu)先級和設(shè)置親和力。

POSIX線程ID與特定于Linux的系統(tǒng)調(diào)用gettid（）返回的線程ID不同。POSIX線程ID由線程庫實現(xiàn)，負責(zé)分配和維護。gettid（）返回的線程id是內(nèi)核（Kemel）分配的一個數(shù)字，它類似于ID（進程ID。

CPU關(guān)聯(lián)性：在POSIX線程中，CPU親和力是指將線程綁定到特定CPU內(nèi)核的能力，以優(yōu)化線程的執(zhí)行效率和系統(tǒng)性能。CPU affinity通過減少線程在不同內(nèi)核之間的切換來降低緩存失效的可能性，從而提高CPU緩存的利用率。可以通過sched_setaffinity和sched_getaffinity的系統(tǒng)調(diào)用來設(shè)置和查詢此綁定。

終止線程：在POSIX thread中，通常通過執(zhí)行函數(shù)中的pthread_exit（）或從函數(shù)中返回void*值來終止線程，這與main函數(shù)（main）以return結(jié)束的方式類似。此外，該線程還可以通過pthread_cancel（）被其他線程強制終止，但需要注意的是，使用pthread_cancel（）可能會導(dǎo)致線程無法執(zhí)行清理代碼，因此它可能不會釋放分配的資源或執(zhí)行必要的狀態(tài)更新。線程的終止將觸發(fā)資源的釋放，并允許其他線程通過pthread_join（）捕獲它們的退出狀態(tài)。因此，一個線程終止后，其他線程可以繼續(xù)運行，但進程級的資源不會自動釋放，需要通過適當(dāng)?shù)耐胶凸芾聿僮魇謩踊厥召Y源。

線程終止后，其線程ID和返回值將被保留。如果線程被取消，其返回值為PTHREAD_CANCELED。您可以回收已終止線程的返回值并分離資源，以避免使用線程堆棧地址作為返回值來避免數(shù)據(jù)覆蓋。未分離的線程可以在終止后通過pthread_join進行連接。像UNIX這樣的僵尸進程必須顯式加入才能恢復(fù)它們的資源。

線程調(diào)度是操作系統(tǒng)用來管理多個線程的執(zhí)行順序的一種機制。它允許設(shè)置調(diào)度策略來決定應(yīng)該首先執(zhí)行哪個線程。

調(diào)度策略：在Linux內(nèi)核中，調(diào)度策略是指內(nèi)核用來決定應(yīng)該執(zhí)行哪個線程的方法。這些策略包括完全公平調(diào)度器（CFS）和實時調(diào)度策略，旨在平衡系統(tǒng)性能和響應(yīng)時間，確保高優(yōu)先級任務(wù)獲得足夠的CPU時間，同時保持系統(tǒng)的整體效率。調(diào)度策略對于操作系統(tǒng)非常重要，因為它們直接影響系統(tǒng)資源的分配和任務(wù)的執(zhí)行順序。POSIX定義了兩種實時調(diào)度策略:SCHED_FIFO（先進先出）和SCHED_RR（輪詢）。這些策略確保在這些策略下運行的進程的優(yōu)先級始終高于標(biāo)準(zhǔn)分時策略下的進程（由常量SCHED_OTHER標(biāo)識）。

優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題：優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是指低優(yōu)先級線程占用高優(yōu)先級線程所需的資源，導(dǎo)致高優(yōu)先級線程被迫等待的情況。在這樣的系統(tǒng)中，每個CPU都有一個單獨的運行隊列，進程只在每個CPU的運行隊列中按優(yōu)先級排序。這個問題可能會嚴重影響系統(tǒng)的響應(yīng)時間和性能。Linux內(nèi)核通過實現(xiàn)優(yōu)先級繼承等機制來緩解優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的影響，以確保系統(tǒng)能夠有效地管理線程之間的資源競爭。實時應(yīng)用程序通常使用CPU affinity）API來避免這種調(diào)度行為可能導(dǎo)致的問題。例如，在四處理器系統(tǒng)中，所有非關(guān)鍵進程都可以隔離在單個CPU上，而其他三個CPU則保留給應(yīng)用程序。

線程本地存儲：在POSIX線程中，線程本地存儲（TLS）允許線程擁有自己獨立的數(shù)據(jù)副本。即使同一程序中的不同線程訪問同一個全局變量，每個線程都有該變量的私有副本。這對于避免多線程環(huán)境中全局變量的同步問題非常有用。線程本地存儲由一組API函數(shù)實現(xiàn)。其中，pthread_key_create函數(shù)用于創(chuàng)建特殊密鑰。這些鍵使每個線程能夠綁定和存儲自己唯一的數(shù)據(jù)值。這些鍵及其相關(guān)數(shù)據(jù)在程序啟動或線程創(chuàng)建時被初始化，每個鍵可以指定一個析構(gòu)函數(shù)，以便在線程結(jié)束時自動執(zhí)行數(shù)據(jù)清理?？梢哉{(diào)用Pthread_setspecific來綁定值和特定的鍵，并且可以通過pthread_getspecific檢索綁定的數(shù)據(jù)。如果不再需要某個密鑰，請調(diào)用pthread_key_delete函數(shù)銷毀該密鑰，這樣可以避免將來出現(xiàn)潛在問題。根據(jù)POSIX標(biāo)準(zhǔn)，至少可以同時創(chuàng)建和使用128個這樣的密鑰。

線程池：線程池是POSIX線程中預(yù)先創(chuàng)建和管理的線程的集合，用于限制并發(fā)線程的數(shù)量并重用線程以降低線程創(chuàng)建和銷毀的成本。應(yīng)用程序通過創(chuàng)建幾個線程并讓它們執(zhí)行任務(wù)隊列中的任務(wù)來實現(xiàn)線程池功能。線程池通常與工作隊列結(jié)合使用，工作隊列管理要處理的任務(wù)，線程池中的線程負責(zé)執(zhí)行這些任務(wù)。這種組合方法優(yōu)化了任務(wù)的分配和執(zhí)行，提高了應(yīng)用程序的性能和響應(yīng)速度。

實時應(yīng)用程序是指需要及時響應(yīng)輸入的應(yīng)用程序。通常，該輸入來自外部傳感器或?qū)Ｓ幂斎朐O(shè)備，輸出采取控制某些外部硬件的形式。具有實時響應(yīng)要求的應(yīng)用示例包括自動裝配線、銀行自動取款機和飛機導(dǎo)航系統(tǒng)。

POSIX線程

POSIX線程在實時應(yīng)用中的應(yīng)用主要關(guān)注系統(tǒng)在指定的截止時間內(nèi)對輸入事件的可靠響應(yīng)。這種需求涉及從硬件輸入設(shè)備獲取數(shù)據(jù)和控制外部硬件，這需要操作系統(tǒng)的支持以確保及時的任務(wù)調(diào)度和執(zhí)行。盡管傳統(tǒng)的UNIX系統(tǒng)不是為實時應(yīng)用程序設(shè)計的，但Linux的實時變體和最近的內(nèi)核改進正在增加對此類應(yīng)用程序的本機支持。

計時器和時間管理:計時器使流程能夠安排未來某個時間的通知。setitimer（）系統(tǒng)調(diào)用可以建立一個在未來某個時間點到期的計時器，并可以選擇在此之后定期到期。對于周期性定時器的精度，盡管setitimer（）使用的timeval結(jié)構(gòu)允許微秒級精度，但定時器的精度傳統(tǒng)上受到軟件時鐘頻率的限制。然而，在現(xiàn)代Linux內(nèi)核中，高分辨率定時器提供了比軟件時鐘頻率更高的精度。

資源鎖定:文件鎖定通常與文件I/O結(jié)合使用，但它也可以用作更通用的同步技術(shù)。Linux和許多其他UNIX實現(xiàn)還允許fcntl（）記錄鎖成為強制性的，這意味著將檢查任何文件I/O操作，以確保它與文件上其他進程持有的鎖兼容。

中斷管理:在處理SIGGTSTP信號時，正確的方法是在信號處理程序中觸發(fā)更多的SIGGTSTP信號來停止進程。如果信號處理程序需要在重新建立處理程序后執(zhí)行一些其他操作（例如保存或恢復(fù)全局變量中的值），但在返回之前，它需要再次阻塞SIGTSTP信號。

最小化延遲和抖動:盡管定時器精度受到軟件時鐘的限制，但在現(xiàn)代Linux內(nèi)核上，高分辨率定時器不受此限制，它可以達到硬件允許的最高精度，通常達到微秒級。