Linux内核---多线程

A、 线程和进程的差别

在现代操作系统中，进程支持多线程。进程是资源管理及分配的最小单元；而线程是程序执行的最小单元。一个进程的组成实体可以分为两大部分：线程集和资源集。进程中的线程是动态的对象，代表了进程指令的执行过程。资源，包括地址空间、打开的文件、用户信息等等，由进程内的线程共享。线程有自己的私有数据：程序计数器，栈空间以及寄存器。现实中有很多需要并发处理的任务，如数据库的服务器端、网络服务器、大容量计算等。传统的UNIX进程是单线程的，单线程意味着程序必须是顺序执行，不能并发，即在一个时刻只能运行在一个处理器上，因此不能充分利用多处理器框架的计算机。如果采用多进程的方法，则有如下问题：? fork一个子进程的消耗是很大的，fork是一个昂贵的系统调用。? 各个进程拥有自己独立的地址空间，进程间的协作需要复杂的IPC技术，如消息传递和共享内存等。线程推广了进程的概念，使一个进程可以包含多个活动（或者说执行序列等等）。多线程的优点和缺点实际上是对立统一的。使用线程的优点在于：? a 改进程序的实时响应能力；? b 更有效的使用多处理器，真正的并行(parallelism)；? c 改进程序结构，具备多个控制流；? d 通讯方便，由于共享进程的代码和全局数据；? e 减少对系统资源的使用。 对属于同一个进程的线程之间进行调度切换时不需要调用系统调用，因此将减少额外的消耗，往往一个进程可以启动上千个线程也没有什么问题。缺点在于：由于各线程共享进程的地址空间，因此可能会导致竞争，因此对某一块有多个线程要访问的数据需要一些同步技术。

B 、 内核线程与用户进程的关系

内核线程也可以叫内核任务，例如，磁盘高速缓存的刷新，网络连接的维护，页面的换入换出等等。在Linux中，内核线程与普通进程有一些本质的区别，从以下几个方面可以看出二者之间的差异：? 内核线程能够访问内核中数据，调用内核函数，而普通进程只有通过系统调用才能执行内核中的函数；? 内核线程只运行在内核态，而普通进程既可以运行在用户态，也可以运行在内核态；? 因为内核线程指只运行在内核态，因此，它只能使用大于PAGE_OFFSET（3G）的地址空间。另一方面，不管在用户态还是内核态，普通进程可以使用4GB的地址空间。

C、 创建内核线程最基本的两个接口函数是：

1、kthread_run(threadfn,data, namefmt, ...) 和

kernel_thread(int(*fn)(void *),void * arg,unsigned long flags)

kthread_run 事实上是一个宏定义：

#define kthread_run(threadfn, data, namefmt, ...)
({         struct task_struct *__k
= kthread_create(threadfn, data, namefmt, ## __VA_ARGS__);
if (!IS_ERR(__k))
wake_up_process(__k);
__k;     })

kthread_run()负责内核线程的创建，它由kthread_create()和wake_up_process()两部分组成，这样的好处是用kthread_run()创建的线程可以直接运行。外界调用kthread_run创建运行线程。kthread_run是个宏定义，首先调用kthread_create()创建线程，如果创建成功，再调用wake_up_process()唤醒新创建的线程。kthread_create()根据参数向kthread_create_list中发送一个请求，并唤醒kthread，之后会调用wait_for_completion(&create.done)等待线程创建完成。新创建的线程开始运行后，入口在kthread()，kthread()调用complete(&create->done)唤醒阻塞的模块进程，并使用schedule()调度出去。kthread_create()被唤醒后，设置新线程的名称，并返回到kthread_run中。kthread_run调用wake_up_process()重新唤醒新创建线程，此时新线程才开始运行kthread_run参数中的入口函数。

2、int kthread_stop(struct task_struct *k); kthread_stop()负责结束创建的线程，参数是创建时返回的task_struct指针。kthread设置标志should_stop，并等待线程主动结束，返回线程的返回值。在调用 kthread_stop()结束线程之前一定要检查该线程是否还在运行（通过 kthread_run 返回的 task_stuct 是否有效），否则会造成灾难性的后果。kthread_run的返回值tsk。不能用tsk是否为NULL进行检查，而要用IS_ERR()宏定义检查，这是因为返回的是错误码，大致从0xfffff000~0xffffffff。3、int kthread_should_stop(void);kthread_should_stop()返回should_stop标志（参见 struct kthread ）。它用于创建的线程检查结束标志，并决定是否退出。

4、#define wait_event_interruptible(wq,condition) ({int __ret = 0;if (!(condition)) __wait_event_interruptible(wq,condition, __ret); __ret; })函数作用：等待事件，置于休眠。成功地唤醒一个被wait_event_interruptible()的进程，需要满足： 在1)condition为真的前提下，2) 调用wake_up()。5、 void wake_up_interruptible (wait_queue_head_t *q);说明：唤醒q 指定的注册在等待队列上的进程。该函数不能直接的立即唤醒进程，而是由调度程序转换上下文，调整为可运行状态。线程不会主动的自己调度，需要显式的通过schedule 或者 schedule_timeout()来调度。6、int waitqueue_active( &task_wait_queue）;查看队列中是否有等待线程。7、这里介绍另一种线程间通信的方式：completion机制。Completion机制是线程间通信的一种轻量级机制：允许一个线程告诉另一个线程工作已经完成。为使用completion, 需要包含头文件 <linux/completion.h>。struct completion my_completion;init_completion(&my_completion);等待completion 是一个简单事来调用: void wait_for_completion(struct completion *c); 注意：这个函数进行一个不可打断的等待. 如果你的代码调用 wait_for_completion 并且没有人完成这个任务, 结果会是一个不可杀死的进程。 wait_for_completion_timeout( &msg_completion, 4*HZ ); //timeout防止卸载模块时堵塞在这里等待completion 事件可能通过调用下列之一来发出：void complete(struct completion *c); void complete_all(structcompletion *c);如果多于一个线程在等待同一个 completion 事件, 这 2 个函数做法不同.complete 只唤醒一个等待的线程, 而 complete_all 允许它们所有都继续。内核笔记:完成变量completion： http://blog.csdn.net/u013661873/article/details/19201561 8、Linux等待队列：http://www.cnblogs.com/zhuyp1015/archive/2012/06/09/2542882.html

9、补充（各种平台下的多线程）/article/4812188.html

C/C++指针相关 ： /article/4812180.html

支持kill命令，同时rmmod的时候也能杀死线程: http://www.cnblogs.com/zhuyp1015/archive/2012/06/13/2548494.html epoll源码学习笔记（linux2.6.32）：/article/9916316.htmlLinux内核线程之深入浅出: http://blog.163.com/jiams_wang/blog/static/303391492012103010374038/

Linux内核多线程（一）: /article/4812184.html

说明：这个程序的目的就是，使用一个线程（thread_function_1）通知另外一个线程（thread_function）某个条件（tc == 10）满足（比如接收线程收到10帧然后通知处理线程处理接收到的数据）运行结果：程序加载并运行（tc 的值等于10 之后 就会唤醒另外一个线程，之后tc又从10开始计数）：

#include <linux/init.h>#include <linux/module.h>#include <linux/kthread.h>#include <linux/wait.h>MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");static struct task_struct * _tsk;static struct task_struct * _tsk1;static int tc = 0;static wait_queue_head_t log_wait_queue;static int thread_function(void *data){do {　    　　　 printk(KERN_INFO "IN thread_function thread_function: %d times \n", tc);wait_event_interruptible(log_wait_queue,tc == 10);tc = 0;  ///必须加这一行，内核才会进行调度。内核线程不像应用程序会主动调度，我们需要显式的使用调度函数，想要在thread_function_1中去重置tc的值是不可能的，因为线程不会被调度，该线程会一直占用CPUprintk(KERN_INFO "has been woke up !\n");}while(!kthread_should_stop());return tc;}static int thread_function_1(void *data){do {　　　　　　 printk(KERN_INFO "IN thread_function_1 thread_function: %d times\n", ++tc);if(tc == 10 && waitqueue_active(&log_wait_queue)){wake_up_interruptible(&log_wait_queue);}msleep_interruptible(1000);}while(!kthread_should_stop());return tc;}static int hello_init(void){printk(KERN_INFO "Hello, world!\n");init_waitqueue_head(&log_wait_queue);_tsk = kthread_run(thread_function, NULL, "mythread");if (IS_ERR(_tsk)) {  //需要使用IS_ERR()来判断线程是否有效，后面会有文章介绍IS_ERR()printk(KERN_INFO "first create kthread failed!\n");}else {printk(KERN_INFO "first create ktrhead ok!\n");}_tsk1 = kthread_run(thread_function_1,NULL, "mythread2");if (IS_ERR(_tsk1)) {printk(KERN_INFO "second create kthread failed!\n");}else {printk(KERN_INFO "second create ktrhead ok!\n");}return 0;}static void hello_exit(void){printk(KERN_INFO "Hello, exit!\n");if (!IS_ERR(_tsk)){int ret = kthread_stop(_tsk);printk(KERN_INFO "First thread function has stopped ,return %d\n", ret);}if(!IS_ERR(_tsk1)){int ret = kthread_stop(_tsk1);printk(KERN_INFO "Second thread function_1 has stopped ,return %d\n",ret);}}module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);  

下面来看使用completion机制的实现代码：

#include <linux/init.h>#include <linux/module.h>#include <linux/kthread.h>#include <linux/wait.h>#include <linux/completion.h>MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");static struct completion  comp;static struct task_struct * _tsk;static struct task_struct * _tsk1;static int tc = 0;static int thread_function(void *data){do {　　　　　printk(KERN_INFO "IN thread_function thread_function: %d times \n", tc);wait_for_completion(&comp);//tc = 0;  ///在哪里都行printk(KERN_INFO "has been woke up !\n");}while(!kthread_should_stop());return tc;}static int thread_function_1(void *data){do {　　　　　　printk(KERN_INFO "IN thread_function_1 thread_function: %d times\n", ++tc);if(tc == 10){complete(&comp);tc = 0;}msleep_interruptible(1000);}while(!kthread_should_stop());return tc;}static int hello_init(void){printk(KERN_INFO "Hello, world!\n");init_completion(&comp);_tsk = kthread_run(thread_function, NULL, "mythread");if (IS_ERR(_tsk)) {printk(KERN_INFO "first create kthread failed!\n");}else {printk(KERN_INFO "first create ktrhead ok!\n");}_tsk1 = kthread_run(thread_function_1,NULL, "mythread2");if (IS_ERR(_tsk1)) {printk(KERN_INFO "second create kthread failed!\n");}else {printk(KERN_INFO "second create ktrhead ok!\n");}return 0;}static void hello_exit(void){printk(KERN_INFO "Hello, exit!\n");if (!IS_ERR(_tsk)){int ret = kthread_stop(_tsk);printk(KERN_INFO "First thread function has stopped ,return %d\n", ret);}if(!IS_ERR(_tsk1)){int ret = kthread_stop(_tsk1);printk(KERN_INFO "Second thread function_1 has stopped ,return %d\n",ret);}}module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);  

Makefile:

ifeq ($(KERNELRELEASE),)KERNELDIR ?=/lib/modules/$(shell uname -r)/buildPWD := $(shell pwd)modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modulesmodules_install:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules_installclean:rm -rf *.o *~ core .depend .*.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions *.symvers *.order.PHONY: modules modules_install cleanelsekernel_thread-objs := thread_func.o kernel_thread_main.oobj-m := kernel_thread.oendif

kernel_thread_main.c:

/***************************************------文件名称：kernel_thread_main.c------***************************************///kernel_thread_main.c//建立内核模块必须包含的头文件#include <linux/module.h>#include <linux/kernel.h>#include <linux/init.h>#include <linux/kthread.h>#include "thread_func.h"MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");//内核模块的许可权限MODULE_AUTHOR("SunTianYu");   //作者MODULE_DESCRIPTION("Kernel Thread Create!/n");//描述static struct task_struct* kernel_thread_tsk;static struct task_struct* business_thread_tsk_A;static struct task_struct* business_thread_tsk_B;static struct task_struct* produce_thread_tsk;/*加载函数*/static int __init kernel_thread_init( void ){printk( KERN_INFO "/*********---Start Creat Kernel Module!---*********/" );//创建内核线程kernel_thread_tsk = kthread_run( kernel_thread_main, NULL, " kernel_thread " );//创建A业务线程business_thread_tsk_A = kthread_run( business_thread_A, NULL, " a_business_thread " );//创建B业务线程business_thread_tsk_B = kthread_run( business_thread_B, NULL, " b_business_thread " );//创建生产者线程produce_thread_tsk = kthread_run( kthread_produce_msg, NULL, " produce_thread " );return 0;}/*卸载函数*/static void __exit kernel_thread_cleanup( void ){printk( KERN_INFO "/*********Exit Kernel Module!*********/" );//释放内核线程if( !IS_ERR( kernel_thread_tsk ) ){int ret = kthread_stop( kernel_thread_tsk );printk( KERN_INFO " exit kernel thread return %d\n", ret );}//释放A业务线程if( !IS_ERR( business_thread_tsk_A ) ){int ret = kthread_stop( business_thread_tsk_A );printk( KERN_INFO " exit a business thread return %d\n", ret );}//释放B业务线程if( !IS_ERR( business_thread_tsk_B ) ){int ret = kthread_stop( business_thread_tsk_B );printk( KERN_INFO " exit b busness thread return %d\n", ret );}//释放生产者线程if( !IS_ERR( produce_thread_tsk ) ){int ret = kthread_stop( produce_thread_tsk );printk( KERN_INFO " exit produce thread return %d\n", ret );}}//加载内核模块module_init( kernel_thread_init );//卸载内核模块module_exit( kernel_thread_cleanup );

thread_func.h:

/***************************************------文件名称：thread_func.h-----***************************************/#ifndef _THREAD_FUNC_H#define _THREAD_FUNC_H#include <linux/kthread.h>   //for kthread_run#include <linux/init.h>	     //for module_init and module_exit#include <linux/module.h>    //for kernel module#include <linux/wait.h>      //for wait_queue#include <linux/completion.h>//for completion#include <linux/slab.h>      //for kmalloc#include <linux/delay.h>     //for msleep_interruptible#define MSG_TYPES 3	     // 3种报文类型//内核线程生产报文的类型typedef enum{P = 0,A,B}MSG_TYPE;//业务线程AB读取的报文数量typedef struct{int count_a;int count_b;}MESSAGE_COUNT;//当前是哪个业务线程typedef enum{THREAD_A,THREAD_B}THREAD_TYPE;//获取随机数序列void get_random_bytes( void *buf, int nbytes );int kernel_thread_main( void* data );	 //创建的内核线程int business_thread_A( void* data );int business_thread_B( void* data );int kthread_produce_msg( void* data );extern int read_msg_bthread_count;extern wait_queue_head_t task_wait_queue;extern struct completion msg_completion; //completion完成量extern int* message;#endif //thread_func.h

thread_func.c:

#include "thread_func.h"int read_msg_bthread_count;wait_queue_head_t task_wait_queue;struct completion msg_completion; //completion完成量int* message;//存放已处理的报文数量static MESSAGE_COUNT message_count = { 0, 0 };//互斥锁static DEFINE_MUTEX(p_mutex);// 函数功能：内核线程生产报文static int create_message( void ){unsigned long msg;// 获取随机数序列get_random_bytes( &msg, sizeof( unsigned long ) );msg = msg % MSG_TYPES;// 申请报文的内存空间message = ( int * )kmalloc( sizeof( int ), GFP_KERNEL );//判断报文类型if ( 0 == msg ){*message = P;printk(KERN_INFO "\nkernel thread creat 'P' message!\n");}else if ( 1 == msg ){*message = A;printk(KERN_INFO "\nkernel thread creat 'A' message!\n");}else{*message = B;printk(KERN_INFO "\nkernel thread creat 'B' message!\n");}return 0;}int kernel_thread_main( void* data )	 //创建的内核线程{int ret;//初始化completion完成量init_completion(&msg_completion);//初始化等待队列init_waitqueue_head(&task_wait_queue);while( !kthread_should_stop( ) ){//内核线程生产报文ret = create_message( );if ( 0 == ret ){//唤醒所有等待的线程complete_all( &msg_completion );//隔1秒产生报文msleep_interruptible(1000);//反复检查报文是否被两个业务线程都读到了，如果是则继续该线程，否则挂起直至满足条件,满足条件就跳到下一个报文处理wait_event_interruptible( task_wait_queue, read_msg_bthread_count==2 );read_msg_bthread_count = 0;}}return 0;}//函数功能：不同类型的报文处理static void bisthread_msg_deal( int thread_type ){//业务线程A操作if ( THREAD_A == thread_type ){if ( P == *message ){printk( "business thread A has deal %d message!\n", message_count.count_a );message_count.count_a = 0;}else if ( A == *message ){message_count.count_a++;}}//业务线程B操作else{if ( P == *message ){printk( "business_thread B has deal %d message!\n", message_count.count_b );message_count.count_b = 0;}else if ( B == *message ){message_count.count_b++;}}//防止产生同时写入的情况mutex_lock( &p_mutex );read_msg_bthread_count++;//只有当业务线程A与B都对同一个报文进行反应后才激活内核线程if( ( 2 == read_msg_bthread_count ) && waitqueue_active( &task_wait_queue ) ){//释放内存kfree( message );//激活内核线程wake_up_interruptible( &task_wait_queue );}mutex_unlock( &p_mutex );//空点时间给其他线程msleep_interruptible(500);}int business_thread_A( void* data ){//先让内核线程进行报文产生的处理msleep_interruptible( 100 );while( !kthread_should_stop( ) ){//当我们使用的complete_all接口时，如果要重复使用一个//completion结构，则必须执行 INIT_COMPLETION//(struct completion c)来重新初始化它INIT_COMPLETION( msg_completion );//timeout防止卸载模块时堵塞在这里等待wait_for_completion_timeout( &msg_completion, 4*HZ );printk( KERN_INFO "business thread A read message!\n" );//开始处理报文bisthread_msg_deal( THREAD_A );}return 0;}int business_thread_B( void* data ){msleep_interruptible( 100 );while( !kthread_should_stop( ) ){INIT_COMPLETION( msg_completion );wait_for_completion_timeout( &msg_completion, 4*HZ );printk( KERN_INFO "business thread B read message!\n" );//开始处理报文bisthread_msg_deal( THREAD_B );}return 0;}int kthread_produce_msg( void* msg){printk( KERN_INFO "produce message----------!!!\n" );return 0;}