在 futex 之前，Linux 中的线程/进程是如何停放和唤醒的？

Question

在 Linux 中存在系统调用之前futex，线程库使用哪些底层系统调用来pthreads阻塞/休眠线程并随后从用户空间唤醒这些线程？

例如，如果一个线程尝试获取互斥锁，用户态实现将阻止该线程（可能在很短的旋转间隔之后），但我找不到用于此目的的系统调用（除了相对较新的创建的系统调用之外futex） ）。

Answer 1

在futex和 Linux 的 pthreads 当前实现 NPTL（需要内核 2.6 及更高版本）之前，还有另外两个带有 Linux 的 POSIX Thread API 的线程库： linuxthreads和 NGPT（基于Gnu Pth。LinuxThreads 是唯一广泛使用的libpthread 已经使用多年了（它仍然可以在一些奇怪且未维护的 micro-libc 中使用，以在 2.4 上工作；其他 micro-libc 变体可能在futex +clone之上有自己的类似 pthread 的 API 的内置实现）。Gnu Pth 是不是线程库，它是具有用户级“线程”切换的单进程线程。

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你应该知道，当我们检查内核是否知道部分或全部用户线程（向程序添加线程时可以使用多少个CPU核心；拥有线程的成本是多少/有多少个线程）时，有几种线程模型可以启动）。模型命名为M:N其中 M 是用户空间线程号，N 是操作系统内核可调度的线程号：

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• “1:1”\'\'内核级线程\​​'\' - 每个用户空间线程都可以由操作系统内核调度。这是在 Linuxthreads、NPTL 和许多现代操作系统中实现的。
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• "N:1" \'\'用户级线程\'\' - 用户空间线程由用户空间规划，它们对内核都是不可见的，它只调度一个进程（并且可能只使用1个CPU核心）。Gnu Pth（GNU 可移植线程）就是一个例子，对于某些计算机体系结构还有许多其他实现。
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• “M:N”\'\'混合线程\'\' - 有一些实体是操作系统内核可见和可调度的，但其中可能有更多的用户空间线程。有时用户空间线程会在内核可见线程之间迁移。
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对于 1:1 模型，Unix 中有许多经典的睡眠机制/API，例如选择/轮询和信号以及IPC API 的其他变体。我记得，Linuxthreads对每个线程使用单独的进程（具有完全共享的内存），并且有特殊的管理器“线程”（进程）来模拟一些 POSIX 线程功能。维基百科说 SIGUSR1/SIGUSR2 在 Linux 线程中用于线程之间的一些内部通信，IBM 也说“原语的同步是通过信号实现的。例如，线程阻塞直到被信号唤醒”。另请检查项目常见问题解答http://pauillac.inria.fr/~xleroy/linuxthreads/faq.html#H.4 “使用 LinuxThreads，我无法再在程序中使用信号 SIGUSR1 和 SIGUSR2！为什么？”

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LinuxThreads 的内部操作需要两个信号。一种用于挂起和重新启动因互斥、条件或信号量操作而阻塞的线程。另一个用于线程取消。\n 在“旧”内核（2.0 和早期的 2.1 内核）上，只有 32 个可用信号，并且内核保留除两个之外的所有信号：SIGUSR1 和 SIGUSR2。因此，LinuxThreads 别无选择，只能使用这两个信号。

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使用“N：1”模型线程可能会调用一些阻塞系统调用并阻塞所有内容（某些库可能会将一些阻塞系统调用转换为异步，或使用一些SIGALRM 或 SIGVTALRM 魔法）；或者它可能会调用一些（非常）特殊的内部线程函数，该函数将通过重写机器状态寄存器来进行用户空间线程切换（如Linux内核中的switch_to，保存IP / SP和其他寄存器，恢复其他线程的IP / SP和寄存器） 。因此，内核不会直接从用户态唤醒任何用户线程，它只是调度整个进程；和用户空间调度程序实现线程同步逻辑（或者只是调用sched_yield在没有线程工作时仅调用或选择）。

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对于M:N模型，事情非常复杂...对 NGPT 不太了解... POSIX 线程和 Linux 内核中有一段关于 NGPT，Dave McCracken，OLS2002,330第 5 页

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有一个新的 pthread 库正在开发中，称为 NGPT。该库基于 GNU Pth 库，它是一个 M:1 库。NGPT 通过使用多个 Linux 任务来扩展 Pth，从而创建一个 M:N 库。它尝试保留 Pth\xe2\x80\x99s pthread 兼容性，同时还使用多个 Linux 任务进行并发，但这一努力受到 Linux 线程模型中的根本差异的阻碍。NGPT 库目前在阻塞系统调用周围使用非阻塞包装器来避免内核中的阻塞。

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一些论文和帖子：POSIX Threads and the Linux Kernel，Dave McCracken，OLS2002,330，LWN post about NPTL 0.1

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futex 系统调用广泛用于所有同步原语和其他需要某种同步的地方。futex 机制足够通用，只需很少的工作即可支持标准 POSIX 同步机制。... Futexes 还允许实现进程间同步原语，这是旧的 LinuxThreads 实现中非常错过的​​一个功能（Hi jbj！）。

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NPTL设计pdf：

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5.5 同步原语 同步原语（例如互斥锁、读写锁、条件变量、信号量和屏障）的实现需要某种形式的内核支持。繁忙等待不是一个选择，因为线程可以具有不同的优先级（除了浪费 CPU 周期之外）。同样的论点排除了仅使用 schedield 的可能性。信号是旧实现的唯一可行的解​​决方案。线程将在内核中阻塞，直到被信号唤醒。这种方法在速度和可靠性方面存在严重缺陷，原因是虚假唤醒和应用程序中信号处理质量的降低。\n幸运的是，内核中添加了一些新功能来实现\n各种同步原语：futexes [Futex]。基本原理很简单，但功能强大，足以适应各种用途。调用者可以在内核中阻塞并被显式唤醒（由于中断或超时）。

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