用於處理數據處理系統中的線程的方法和裝置的製作方法
2023-06-22 19:45:01
專利名稱：用於處理數據處理系統中的線程的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及一種改進的數據處理系統，更具體地說，涉及用於管理數據處理系統中的線程的方法和裝置。
背景技術：
線程是中央處理單元(CPU)利用的基本單位。線程通常具有程序計數器、寄存器組和堆棧空間。一個線程和其它的線程共用其代碼部分、數據部分和作業系統資源，例如打開的文件和信號。這些組件也被稱為「任務」。一些系統在用戶級的庫中實現用戶線程，而不通過系統調用，從而線程轉換不需要調用作業系統並對內核產生中斷。
在許多方面，線程用和進程相同的方式操作。線程可以處於幾個狀態之一就緒、阻塞、睡眠、運行或終止。在用戶空間中的用戶線程由內核中的內核線程運行。內核線程也被稱為「虛擬處理器」。在一些情況下，使用一對一的模型，其中每個用戶線程具有一個相應的內核線程。在其它的情況下，使用M:N模型，其中許多用戶線程在少數內核線程上運行，以便提高性能。對於這個模型，會發生一些情況，例如在一個互斥體上阻塞，其中不再需要內核線程來運行特定的用戶線程。互斥體是一種加鎖機制，其涉及對用於抓取和釋放對象的編程標記的使用。當不能被共享的數據被獲得，或者不能被在系統中的其它位置同時進行的處理被開始時，互斥體被設置為「鎖定」，這阻塞了使用它的其它企圖。當不再需要該數據或者該例程被完成時，互斥體被設置為「非鎖定」。如果沒有其它的用戶線程是當前可運行的，則這個內核線程將使其自己從那個特定的用戶線程分離開並進入睡眠狀態。
內核線程的分離以便進入睡眠狀態引起若干個動作發生。發生的一個動作是，內核線程從用戶堆棧轉換到其自己的較小的堆棧。此外，內核線程設置信號屏蔽，以便阻塞大部分信號。當該內核線程被再次需要時，這個線程將轉換到用戶線程的堆棧，並設置多個線程特定的屬性，例如信號屏蔽。
本發明認識到，這個當前使用的分離和隨後的再附加機制涉及大的性能開銷。每個分離或再附加需要系統調用，以便把數據從用戶空間複製到內核空間或者從內核空間複製到用戶空間。此外，數個鎖被在內核庫和內核兩者中使用，導致可能增加的鎖爭用。這種類型的分離還涉及潛在的信號處理問題。具體地說，在內核線程阻塞信號之前會出現一個小的窗口，其中內核線程在執行於其小的內核堆棧上時可能會接收到一個信號。本發明還認識到在較大的用戶線程堆棧上很好地運行的信號處理器可能使較小的內核線程堆棧溢出，從而破壞存儲器和/或使應用程式進行核心轉儲(core dump)。
性能開銷和堆棧溢出這兩個問題是單獨的問題，但是具有相似的根本原因。這個原因便是「空閒」內核線程的分離。因此，具有一種改進的方法、設備以及計算機指令，用於以減小性能開銷並避免堆棧溢出的方式處理空閒的內核線程將是有利的。
發明內容
本發明提供一種用於管理線程的方法、設備和計算機指令。一個與用戶線程相關聯的內核線程被檢測為不被該用戶線程需要。所述內核線程被半分離，其中用於該線程的數據不改變堆棧以響應該內核線程不被需要。
優選地，該內核線程被放置在一個半分離表上，並與用戶線程同時處於不能運行的狀態。
優選地，當用戶線程從睡眠中醒來時，該內核線程被從半分離表中刪除，使得不需要被再附加到用戶線程。
優選地，線程在AIX作業系統中執行。
優選地，用於內核線程的數據保留在用戶堆棧上，而不需要把數據複製到內核堆棧以便半分離內核線程。
優選地，使用一個庫進行對內核線程不被需要的檢測和半分離內核線程。
優選地，當用戶線程從睡眠狀態醒來時，確定第二內核線程是否被分離而不是半分離，並且如果第二內核線程被分離，其被附加到該用戶線程上。
優選地，所述不能運行的狀態是等待狀態或睡眠狀態之一。
按照另一個方面，本發明提供一種用於管理線程的數據處理系統，所述數據處理系統包括總線系統；和所述總線系統相連的通信單元；和所述總線系統相連的存儲器，其中所述存儲器包括一組指令；以及和所述總線系統相連的處理單元，其中所述處理單元執行所述一組指令，以便檢測和用戶線程相關聯的不被該用戶線程需要的內核線程；並且半分離所述內核線程，其中用於所述線程的數據不改變堆棧以響應該內核線程不被需要。
如附圖所示，下面僅以舉例方式參照本發明的優選實施例說明本發明其中圖1表示一種數據處理系統，其中可以按照本發明的優選實施例實施本發明；圖2是可以實施本發明的數據處理系統的方框圖；圖3是表示在處理內核線程中使用的組件的示意圖；圖4A-4C是在半分離表中使用的數據結構的示例；圖5是用於處理阻塞調用的已知的方法的流程圖；圖6是用於管理空閒線程的方法的流程圖；圖7是用於喚醒內核線程的已知的方法的流程圖；以及圖8是用於處理內核線程的方法的流程圖。
具體實施例方式
現在參看附圖，特別參看圖1，給出了按照本發明的優選實施例可以實施本發明的數據處理系統的圖示表示。所示的計算機100包括系統單元102、視頻顯示終端104、鍵盤106、存儲裝置108，存儲裝置108可以包括軟盤驅動器和其它類型的永久的和可移動的存儲介質、以及滑鼠110。計算機100可以包括附加的輸入裝置，諸如例如遊戲杆、觸摸墊、觸控螢幕、軌跡球、麥克風等。計算機100可以使用任何適合的計算機來實現，例如IBM eServer計算機或者IntelliStation計算機，它們是位於紐約，阿蒙克的國際商業機器公司的產品。雖然給出的圖示給出了一種計算機，但是本發明的其它實施例可以用其它類型的數據處理系統例如網絡計算機來實施。計算機100優選地包括圖形用戶接口(GUI)，其可以藉助於駐留在運行於計算機100內的計算機可讀的介質中的系統軟體來實現。
現在參見圖2，示出了本發明可以被實現於其內的數據處理系統的方框圖。數據處理系統200是計算機例如圖1的計算機100的一個例子，實現本發明的處理的代碼或指令可以位於其上。數據處理系統200使用外圍組件互連(PCI)局部總線體系結構。雖然所示的例子使用PCI總線，其它的總線體系結構例如加速圖形埠(AGP)和工業標準結構(ISA)也可被使用。處理器202和主存儲器204通過PCI橋208和PCI局部總線206相連。PCI橋208還可以包括用於處理器202的集成的存儲器控制器和高速緩衝存儲器。在所示的例子中，區域網(LAN)適配器210、小型計算機接口SCSI主機總線適配器212、以及擴展總線接口214通過直接組件連接和PCI局部總線206相連。與此相反，音頻適配器216、圖形適配器218、以及音頻/視頻適配器219通過被插入擴展槽中的內插板卡和PCI總線206相連。擴展總線接口214提供用於鍵盤以及滑鼠適配器220、數據機222以及附加存儲器224的連接。SCSI主機總線適配器212提供了用於硬碟驅動器226、磁帶驅動器228以及CD-ROM驅動器230的連接。典型的PCI局部總線實現支持3個或4個PCI擴展槽或內插連接器。
一個作業系統在處理器202上運行並被用於協調和提供對圖2中的數據處理系統200內的各種組件的控制。該作業系統可以是市場上可得到的作業系統，例如高級交互執行體(AIX)或Windows XP。AIX是UNIX的一個版本，並且可以從國際商業機器公司得到。Windows XP可以從微軟公司得到。用於作業系統和應用的指令或程序被設置在存儲裝置例如硬碟驅動器226上，並可被裝入主存儲器204中，以便由處理器202執行。
本領域的普通技術人員應當理解，圖2中的硬體可以根據實施方案而改變。除了圖2所示的硬體之外或代替圖2所示的硬體，也可以使用其它的內部硬體或外圍設備，例如閃速只讀存儲器(ROM)、等同的非易失性存儲器、或光碟驅動器等。此外，本發明的處理可以應用於多處理器數據處理系統。
例如，數據處理系統200，如果可選擇地被配置為網絡計算機，可以不包括SCSI主機總線適配器212、硬碟驅動器226、磁帶驅動器228以及CD-ROM驅動器230。在這種情況下，計算機，其被恰當地稱為客戶計算機，包括某種類型的網絡通信接口，例如LAN適配器210、數據機222或其類似物。作為另一個例子，數據處理系統200可以是一種獨立的系統，其被配置為不依賴於某些類型的網絡通信接口就可以啟動，不論數據處理系統200是否包括某些類型的網絡通信接口。作為另一個例子，數據處理系統200可以是個人數字助理(PDA)，其配置有ROM和/或閃速ROM，用於提供用於存儲作業系統文件和/或用戶產生的數據的非易失性存儲器。
圖2所示的例子和上述的例子不意味著體系結構上的限制。例如，除了採取PDA的形式之外，數據處理系統200還可以是筆記本計算機或手持計算機。數據處理系統200還可以是信息站或Web設備。
本發明的處理由使用計算機執行的指令的處理器來執行，所述指令可以位於存儲器例如主存儲器204、存儲器224或一個或幾個外圍設備226-230中。
現在參看圖3，一個按照本發明的優選實施例示出了在處理內核線程中使用的組件的示意圖。在這個例子中，用戶線程300、302、304、306和308位於用戶空間310內，而內核線程312、314和316位於內核空間318內。這個例子中的這些線程遵從M:N模型，其中許多用戶線程在少數內核線程上運行，以便提高性能。
當前，用戶線程300正在由內核線程312運行，用戶線程304正在由內核線程314運行，用戶線程306正在由內核線程316運行。對這些用戶線程執行的操作位於用戶線程堆棧320內。每個用戶線程和一個用戶線程堆棧相關聯。內核線程312，314和316具有位於用戶線程堆棧320中的數據。用戶線程堆棧320內的特定堆棧是和正由內核線程運行的用戶線程相關聯的堆棧。
一般地說，如果內核線程例如內核線程312對於運行用戶線程例如用戶線程300來說不再被需要，則內核線程312將分離其自身，並和用戶線程300一道進入睡眠狀態。在睡眠狀態下的內核線程一般被置於分離表322內，所述分離表由Pthread庫324管理。Pthread庫324是一個可動態加載的庫，其被用於AIX中。隨著從用戶線程300分離，用於內核線程312的信息，所述信息表示當前堆棧指針，該指針指向用戶線程堆棧320內的用戶線程堆棧，被修改為指向為它的內核線程在內核線程堆棧326中保留的區域。當用戶線程300從睡眠狀態醒來時，內核線程312可以被從分離表322中刪除，並再附加到用戶線程300。可替換地，如果內核線程312為不可得到的，則可以將分離表322中的另一個可以得到的內核線程附加到用戶線程300。
按照本發明的優選實施例，當用戶線程300進入不需要內核線程312的狀態例如睡眠狀態時，藉助於Pthread庫324，內核線程312被置於半分離表328中，而不被置於分離表322中。對於半分離，內核線程312不改變其堆棧或信號屏蔽。而是，內核線程312被置於半分離表328上，並和用戶線程300同時睡眠。在這個同時睡眠狀態下，內核線程312保持諸如和其同時睡眠的用戶線程的堆棧和信號屏蔽的信息。這個信息也被稱為「用戶線程特定屬性」。以這種同時睡眠，內核線程312把自身識別為可用於運行其它的用戶線程，但是最好是首先使用分離表322上的一個線程。優先選擇被給予運行和內核線程312相關聯的用戶線程，即用戶線程300。根據特定的實施方案，半分離表328可以用不同的方式來實現。在這個例子中，這個表被實現為線程結構的連結的內核。
如果用戶線程300從睡眠狀態醒來，內核線程312將把自身從半分離表328中刪除，並繼續運行用戶線程300。這種機制提供一個途經，其中喚醒Pthread庫324中的一個線程只涉及較低的等待時間。當從被爭奪的互斥體、條件變量或信號醒來時，這種機制是有用的，因為跟隨這些事件而執行的動作通常必須在程序的其餘部分可以進行之前被完成。
如果在後來的時間需要半分離表328中的內核線程來運行另外的用戶線程，則藉助於從當前用戶線程的狀態分離到新的用戶線程的狀態的而不分離內核線程，可以避免因保持分離而導致的性能處罰。例如，如果內核線程312在半分離表328上，並且另一個用戶線程例如用戶線程302需要內核線程312以運行該線程，通過將用戶線程300的堆棧內的屬性改變為和用戶線程302的那些屬性匹配，和用戶線程300相關聯的堆棧可被附加到用戶線程302。例如，堆棧指針和信號屏蔽可以被從用於用戶線程300的堆棧指針和信號屏蔽改變為用於用戶線程302的堆棧指針和信號屏蔽。
結果，只有當和內核線程相關聯的用戶線程退出或結束時，該內核線程才完全分離。因而，在大多數情況下，避免了和通常的分離相關聯的性能開銷。
參見圖4A-4C，其中按照本發明的優選實施例示出了在半分離表中使用的數據結構。這些數據結構可用於實現半分離表，諸如圖3中的半分離表328。
在圖4A中，使用連結表指向不同的內核線程。例如，表項400和402被用於指向不同的內核線程。表頭標記406標識著連結表的開始。表項400包含前一個指針408和下一個指針410。表項402包含前一個指針412和下一個指針414。這些指針用於指向連結表內的前一個表項和下一個表項。此外，表項400包括指針416，表項402包括指針418，這些指針指向內核線程，諸如內核線程420和422。
接著，在圖4B中，在表結構中使用的信息被合併在線程結構中。在這個例子中，表頭標記430指向開頭，或第一個線程，內核線程432。內核線程432包括有下一個指針434，指針434指向內核線程436。內核線程432還包括前一個指針438，指針438指向表中的某個前面的內核線程。內核線程436包括前一個指針440，指針440指回內核線程432。內核線程436中的下一個指針442指向表中的下一個內核線程。這個例子是給出的例子中的一種優選的表結構。
在圖4C中，使用數組450指向不同的內核線程。表頭標記452指向數組450的開始，數組450包括指針454，456和458。這些指針分別指向內核線程460，462和464。提供這些例子僅僅用於說明可以如何實現半分離表。根據特定的實現方案，其它類型的結構，例如樹，也可以被使用。
現在參看圖5，給出了用於處理阻塞調用的已知方法的流程圖。圖5中所示的方法可以被實現在一個庫中，例如圖3中的Pthread庫324。阻塞調用是可以引起用戶級的線程從運行或可運行狀態改變到等待狀態或睡眠狀態的另一狀態的任何調用。
該方法以檢測潛在阻塞調用開始(步驟500)。該方法從用戶線程分離內核線程(步驟502)。步驟502需要從用戶線程堆棧向內核線程堆棧複製信息以及其它的操作的開銷，所述的其它的操作諸如將信號屏蔽改變為阻塞信號。接著，該方法查找新的用戶線程以便運行(步驟504)。如果發現可運行的線程，則該內核線程被附加到該新的用戶線程(步驟506)。步驟506涉及這樣的開銷，諸如從內核線程堆棧向用戶線程堆棧複製數據以及設置信號屏蔽。新的用戶線程被運行(步驟508)，此後該方法結束。
再次參看步驟504，如果沒有可運行的線程，內核線程便被置於分離表上，並成為睡眠狀態(步驟510)。此後，該方法等待，以便檢測成為可運行的用戶線程(步驟512)。此後，內核線程被附加到作為可運行的用戶線程被檢測到的用戶線程(步驟514)。然後，該用戶線程由內核線程運行(步驟516)，此後，該方法結束。
現在參見圖6，按照本發明的優選實施例示出了用於管理空閒線程的方法的流程圖。圖6所示的方法可以在庫中實現，例如圖3所示的Pthread庫324。
該方法從檢測潛在的阻塞調用開始(步600)。這種潛在的阻塞調用是一種把用戶級線程置於等待或睡眠狀態的調用。正在睡眠或者正在等待的線程被稱為「不可運行的」線程。然後該方法尋找新的用戶線程以便運行(步驟602)。如果發現了可運行的用戶線程，該方法將內核線程轉換到該新的用戶線程(步驟604)。步驟604的轉換可以通過使用用戶級調度器來實現。根據特定的實施方案，這個轉換可能需要或者不需要內核線程的分離和再附加。用戶線程由該內核線程運行(步驟606)，此後該方法結束。
再次回到步驟602，如果沒有發現可運行的用戶線程，內核線程被置於半分離的睡眠狀態(步驟608)。在這種類型的睡眠中，內核線程被置於半分離表上，然後進入睡眠狀態。和該內核線程相關聯的用戶線程與該內核線程一起被保持或被列於半分離表中。進行這種關聯以便指出優先使用這個特定的內核線程來運行該用戶線程，而不是運行另一個用戶線程，除非必需這樣做。
此後，對一個事件進行檢測和處理(步驟610)。如果該事件是與該內核線程相關聯的用戶線程成為是可運行的，則該用戶線程由該內核線程運行(步驟612)，此後該方法結束。再次參看步驟610，如果和該內核線程相關聯的用戶線程退出或者不需要該內核線程，則該內核線程被置於分離表上並進入睡眠狀態(步驟614)，此後該方法結束。更具體地說，步驟614進入圖5所示的以步驟510開始的一系列的步驟。
返回步驟610，如果事件是任何其它的事件，則該方法查找用戶線程以便運行(步驟616)。如果未找到可運行的線程，則該方法返回步驟608。否則，如果另一個用戶線程成為可運行的，則該方法把該內核線程轉換到成為可運行的那個用戶線程(步驟618)。這個步驟可以包括兩個操作，即分離和附加。可替換地，可以使用把內核線程從當前的用戶線程轉換到新的用戶線程的單個的操作。然後用戶線程以內核線程運行(步驟620)，然後該方法結束。
現在參見圖7，其中示出了用於喚醒內核線程的已知方法的流程圖。圖7所示的方法可以在一個庫中實現，例如圖3所示的Pthread庫324。在本圖中所示的方法允許線程等待或睡眠，直到一個用戶線程被檢測為是可運行的。
該方法由檢查用於內核線程的分離表開始(步驟700)。如果分離表不是空的，則從分離表中刪除一個內核線程(步驟702)。該內核線程被喚醒(步驟704)，此後該方法結束。再次參看步驟700，如果分離表是空的，則該方法結束。
現在轉向圖8，示出了按照本發明的優選實施例用於處理內核線程的流程圖。圖8中所示的方法可以在一個庫中實現，例如圖3中的Pthread庫324。該方法在一個使另一個內核線程成為可運行的內核線程中啟動。
該方法以檢查用於內核線程的分離表開始(步驟800)。如果分離表是空的，該方法便檢查用於內核線程的半分離表(步驟802)。如果半分離表是空的，則該方法結束。否則，如果半分離表不是空的，則從半分離表中刪除一個內核線程(步驟804)。從半分離表中被刪除的這個內核線程被喚醒(步驟806)，此後該方法結束。而後，該內核線程運行。
再次參看步驟800，如果分離表不是空的，則從分離表中刪除一個內核線程(步驟808)。該內核線程被喚醒(步驟810)，此後該方法結束。本發明的機制仍然使用分離表，因為分離而不是半分離在某些情況下可能是需要的。這個表對於已有的用戶線程可能是需要的。在這種情況下，當喚醒用戶線程時，從分離表中選擇內核線程優先於從半分離表中選擇內核線程。
因而，本發明提供一種用於管理空閒的內核線程的改進的方法、設備和計算機指令。本發明的機制避免了當前內核線程分離和隨後再附加所涉及的開銷。此外，本發明的機制還避免了可能發生的堆棧溢出。這些優點是通過使用半分離方法提供的。這個方法涉及把內核線程置於半分離表中，並且然後將內核線程置於睡眠狀態。執行這些步驟不需要在使內核線程和用戶線程分離時一般所需的那些步驟。
重要的是注意到，雖然在一個功能完全的數據處理系統的環境下說明了本發明，本領域的普通技術人員應當理解，本發明的方法能夠以指令的計算機可讀介質的形式以及各種形式發布，並且，不管實際上用於進行發布的信號承載介質的具體類型是什麼本發明都同樣地適用。計算機可讀介質的例子包括可記錄型的介質例如軟盤、硬碟驅動器、RAM、CD-ROM、DVD-ROM；以及傳輸型的介質，例如數字和模擬通信鏈路、使用諸如例如射頻和光波傳輸的傳輸形式的有線或無線通信鏈路。計算機可讀介質可以採取編碼格式的形式，其被解碼以便實際用於特定的數據處理系統中。
權利要求
1.一種用於在數據處理系統中管理線程的方法，包括檢測和一個用戶線程相關聯的、不被該用戶線程需要的內核線程；以及響應內核線程不被需要，半分離該內核線程，其中用於該線程的數據不改變堆棧。
2.如權利要求1所述的方法，還包括把所述內核線程置於一個半分離表中；以及把所述內核線程與所述用戶線程同時置於不可運行的狀態。
3.如權利要求2所述的方法，還包括響應所述用戶線程從睡眠中醒來，從半分離表中刪除所述內核線程，其中不需要和所述用戶線程的再附加。
4.如權利要求2所述的方法，還包括響應所述用戶線程從睡眠狀態醒來，確定第二內核線程是否被分離而不是半分離；以及響應第二內核線程被分離，將第二內核線程附加到所述用戶線程。
5.如權利要求2所述的方法，其中不可運行的狀態是等待狀態或睡眠狀態之一。
6.一種用於管理線程的數據處理系統，所述數據處理系統包括檢測裝置，用於檢測和一個用戶線程相關的、不被該用戶線程需要的內核線程；以及半分離裝置，用於響應所述內核線程是不被需要的，半分離所述內核線程，其中用於該線程的數據不改變堆棧。
7.如權利要求6所述的數據處理系統，還包括第一放置裝置，用於把所述內核線程置於一個半分離表中；以及第二放置裝置，用於把所述內核線程與所述用戶線程同時置於不可運行的狀態。
8.如權利要求7所述的數據處理系統，還包括刪除裝置，用於響應所述用戶線程從睡眠中醒來，從半分離表中刪除所述內核線程，其中不需要和所述用戶線程的再附加。
9.如權利要求7所述的數據處理系統，還包括確定裝置，用於響應所述用戶線程從睡眠狀態醒來，確定第二內核線程是否被分離而不是半分離；以及附加裝置，用於響應第二內核線程被分離，將第二內核線程附加到所述用戶線程。
10.如權利要求7所述的方法，其中不可運行的狀態是等待狀態或睡眠狀態之一。
11.一種計算機可讀介質中的用於管理線程的電腦程式產品，所述電腦程式產品包括用於執行權利要求1到6中任何一個方法的指令。
全文摘要
本發明披露了一種用於管理線程的方法、設備和計算機指令。與一個用戶線程相關聯的內核線程被檢測為不被該用戶線程需要。該內核線程被半分離，其中響應該內核線程是不被需要的，用於該線程的數據不改變堆棧。
文檔編號G06F9/48GK1735865SQ03822194
公開日2006年2月15日 申請日期2003年8月11日 優先權日2002年9月19日
發明者A·門多薩, J·H·朔普 申請人:國際商業機器公司