2007-12-25 09:56:29
摘要：在linux2.6中，nptl(native posix thread library)已取代linuxthreads成為glibc的首選執行緒庫，但是在嵌入式作業系統中普遍使用的基於posix 標準的執行緒庫仍是linuxthreads。分析了nptl執行緒庫的記憶體管理機制，基於嵌入式作業系統uclinux無mmu的特性，修改了執行緒棧及uclibe庫，實現了nptl在uclinux上的移植，並在相容性與效率兩方面相對於linuxthreads執行緒庫進行了測試。
0 引言
與程序相比，執行緒是一種非常「節儉」的多工操作方式且執行緒間擁有更加方便的通訊機制 。因此，執行緒的引入對於日趨複雜的作業系統而言意義重大。
目前，在嵌入式作業系統中普遍使用的基於posix標準的執行緒庫是linuxthreads。雖然這種實現機制已經在不少的應用當中表現出了較好的效能，但仍存在一定的問題。nptl(nativeposixthread ubrary) 是redhat公司牽頭研發的新一代執行緒庫，它在一定程度上彌補了linuxthreads的缺點。本文將實現nptl在嵌入式作業系統uclinux上的移植。
1 nptl記憶體管理機制分析
uclinux同標準linux的最大區別就在於記憶體管理。對於uclinux來說，其設計針對沒有mmu的處理器，所以uclinux採用實儲存器管理策略，所有程式中訪問的位址都是實際的實體地址。根據uclinux的特點，nptl的移植工作將主要集中在記憶體管理上。
nptl定義了乙個struct pthread資料結構來描述執行緒。在此資料結構中與記憶體管理相關的幾項屬性有：
struct pthread;
為了節省開銷，nptl採用了以下兩項措施來優化記憶體管理。
(1)合併必要的記憶體塊。執行緒描述資料結構與執行緒區域性儲存都放在堆疊上，可用的堆疊從這兩個結構向下開始(如果是向上的堆疊，則從滿足這兩個結構的記憶體向上開始)。執行緒棧的分配方法隨著體系結構的不同而不同，這裡只分析i386等平台上(包括一般嵌入式平台)所使用的兩種棧組織方式：系統分配方式和使用者自定義方式。
在系統分配方式下，nptl利用mmap()建立一定大小的從物理記憶體空間到程序虛存區間的對映，並使用mprotect()設定其中第一頁為非訪問區，用來監測棧溢位。其執行緒棧空間的功能分配如圖1所示。
2 基於uclinux的移植
2.1 執行緒棧的分配
基於無mmu特性，uclinux重新定義封裝了原有的記憶體分配函式。mmap()系統呼叫最終由核心函式kmalloc()實現，分配一塊物理記憶體區，返回的是該物理記憶體區的起始位址。uclibc中所定義的malloco函式不再以系統呼叫brk()實現，而是以設定好特定引數的mmap()實現。因此，在將ntpl移植到uclibc中時，可直接呼叫malloc()函式分配指定大小的執行緒棧，相應地，用free()函式進行記憶體的釋放。由於uclinux對記憶體空間沒有保護，因此在呼叫malloc分配了執行緒棧空間後，並不呼叫mproteet()設定保護區。這樣，程式的正確性就不得不由開發人員來保證。根據嵌入式作業系統的特點，在分配執行緒棧時可將其預設大小_default_stacksize的值設為16k。修改後的執行緒棧空間的功能分配如圖3所示。
current_stack_frame>(curr-
}
list_for_each(entry, &_stack_user)
return result;
)
nptl中利用靜態變數stack_cache_maxsize限定了stack_cache的最大容量。在i386體系中stack_cache_maxsize的大小定義為40mb。顯然，這對於uclinux而言是不可能實現的，應針對具體系統資源進行適當調整。
2.3 c庫的修改
uclinux小型化的另乙個做法是精簡了應用程式庫，這使得執行緒庫中一些重要的系統呼叫在uclibc中缺少必要的介面，而無法得以實現。在本系統中，需要增加clone與futex兩個系統呼叫介面到uclibc中，以保證執行緒庫的正確執行。在nptl中利用靜態變數stack_cache_lock與lll_lock()/lll_unlock()這對巨集保證了執行緒棧佇列操作的原子性。在glibc中，lll_lock()/lll_unlock()最終是通過核心的futex(fast user space mutex)機制實現的。futex是一種序列化事件使得它們不會相互衝突的機制，它能令呼叫者在核心中等待，也可以在中斷或在超時以後被喚醒。在具體實現時需重定義這對巨集，並新增到uclibc中。lll_lock()/lll_unlock()的巨集定義演算法如下:
#define lll_lock(stack_cache_lock) /
#define lll_unlock(stack_cache_lock) /
3 效能測試與分析
測試的硬體平台採用了adi公司的adsp-bf533處理器，32mb的記憶體，4mb大小flash。軟體平台選用uclinux2.6核心。
3.1 相容性
在將nptl移植到uclinux上後，就其posix相容性進行了一系列測試，主要結果如表1所示。
表1 相容性測試結果對照
4 結束語
由於嵌入式系統軟硬體條件上的限制，使得nptl的高效性並不能完全得以體現。但相對於linuxthreads而言，在效能上仍有一定的提高。更重要的是，nptl相對於linuxthreads在很大程度上改進了與posix 的相容性。可以預見，隨著linux在嵌入式領域的擴充套件，nptl也將在嵌入式系統中發揮越來越重要的作用。
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