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QNX環(huán)境下多線程編程
作者Email: zoutom@163.com
摘要:介紹了QNX實時操作系統(tǒng)和多線程編程技術(shù)，包括線程間同步的方法、多線程程序的分析步驟、線程基本程序結(jié)構(gòu)以及實用編譯方法。
關(guān)鍵詞:QNX;多線程;同步;程序結(jié)構(gòu)
0引言：
QNX是由加拿大QNX軟件有限系統(tǒng)公司開發(fā)的一種多任務(wù)、分布式、可嵌入的實時操作系統(tǒng)。它有著輕巧的微內(nèi)核，可以對進程進行全面的地址保護，可剪裁，模塊化程度高，實時性強，安全可靠。符合POSIX標準的API使它成為一個開放式互聯(lián)系統(tǒng)，便于與UNIX/LINUX系統(tǒng)的移植。QNX有著不同于UNIX或LINUX的模塊化設(shè)計思想，并不是UNIX或LINUX的一種演化，而是完全不同的一種全新的實時操作系統(tǒng)。由于其獨特的體系結(jié)構(gòu)，QNX廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、機器人工程、工業(yè)控制、航空航天等各個領(lǐng)域。
在QNX中，線程是一個單一的控制執(zhí)行流。從程序的最低層角度考慮，線程包括當前指令位置指針（也稱為計數(shù)器或PC）、棧頂指針（SP）和一些寄存器，而進程占據(jù)一定的內(nèi)存空間，是一個或多個線程的集合。在同一進程中的線程共享許多資源，在QNX系統(tǒng)中共享的資源有：內(nèi)存中儲存在棧區(qū)以外的變量——即非局部變量；信號處理器；信號忽略屏蔽字；通道——建立于服務(wù)器端；連接——建立于客戶端，而在不同進程中的線程除了CPU之外，幾乎不共享任何資源。當然QNX提供了shm_open()函數(shù)來使不同進程中的線程共享一段內(nèi)存。
在早期的QNX版本如QNX4中，對于線程的支持是比較弱的，在當時的條件下，處理大型、復雜的并發(fā)多任務(wù)問題時，常常將問題分解為多個進程以降低問題的復雜性。而且QNX提供了與UNIX類似的進程間通訊IPC手段如消息、代理、信號燈等，功能也相對比較成熟、完善。1999年以后 QNX軟件公司推出了QNX/Neutrino實時操作系統(tǒng)的Neutrino2.0、Neutrino6.0增加了對于POSIX線程的支持，標準的API不但使它易于擴展，而且也使得編寫多線程程序變得容易。由于線程具上下文較輕、切換較快、在創(chuàng)建多個線程時系統(tǒng)的開銷比較小、通訊手段靈活多樣、共享資源豐富等優(yōu)點，在處理大型并發(fā)多任務(wù)問題時多線程有了明顯的優(yōu)勢。QNX是搶先式多任務(wù)系統(tǒng),這種系統(tǒng)決定了多個線程在訪問共享資源時線程執(zhí)行的次序變得不可預(yù)期，所以線程間的同步就顯得極為重要。QNX提供了多種同步機制以保證多線程程序的安全、可靠。
1 QNX多線程庫函數(shù)簡介
QNX與LINUX不同，沒有單獨的線程庫，與線程有關(guān)的API是作為C語言庫函數(shù)的一部分使用的，頭文件是
1.1線程的創(chuàng)建、取消和終止
1.11線程的創(chuàng)建
QNX通過pthread_create()函數(shù)創(chuàng)建線程，API定義如下：
int pthread_create( pthread t* thread, const pthread attr t* attr, void* (*start routine)(void* ), void* arg );
pthread_create()創(chuàng)建的線程執(zhí)行start routine() 函數(shù)，thread返回創(chuàng)建的線程描述符，而attr是創(chuàng)建線程時設(shè)置的線程屬性，arg可以作為任意類型的參數(shù)傳給start routine()函數(shù)。QNX對創(chuàng)建線程前需要設(shè)置的線程屬性進行了擴展，增加了POSIX標準無法設(shè)置的屬性如：可以禁止一個線程的取消（終止操作）；可以設(shè)置一個線程的取消類型；可以指定當一個線程接到信號時，它如何操作。
1.12 線程的取消
QNX通過調(diào)用int pthread_cancel(pthread_t thread)函數(shù)取消由thread指定的線程，如果成功則返回0，否則為非0，成功并不意味著thread會終止，要視取消的狀態(tài)和類型而定。QNX提供了設(shè)定取消狀態(tài)和類型的API pthread_setcancelstate()和pthread_setcanceltype(),取消的狀態(tài)有兩種：PTHREAD_CANCEL_ENABLE表示將線程設(shè)為取消狀態(tài)，PTHREAD_CANCEL_DISABLE表示忽略取消狀態(tài)；取消的類型也有兩種：
THREAD_CANCEL_DEFFERED表示執(zhí)行到取消點取消，PTHREAD_CANCEL_ASYCHRONOUS表示立即取消。
1.13 線程的終止
QNX中終止一個線程需要調(diào)用pthread exit()，其API定義：
void pthread exit( void* value ptr );
當一個線程在執(zhí)行了start routine()函數(shù)后返回時，系統(tǒng)自動隱式調(diào)用pthread exit()使其退出，start routine()
的返回值，作為線程的退出狀態(tài)。在一個線程中也可以顯式調(diào)用pthread exit()退出，對于單線程進程而言，調(diào)用pthread exit()與調(diào)用exit(0)是等效的。
1.2 線程的常用控制函數(shù)
pthread_self()
API: pthread_t pthread_self(void);
說明：返回線程描述符,pthread_create()返回值相同。
pthread_equal()
API: int pthread_equal(pthread_t t1,pthread_t t2);
說明：t1,t2為線程描述符，可調(diào)用pthread_self()和pthread_create()得到。此函數(shù)功能為比較兩個線程的描述符，不管線程描述符是否合法。如果返回值為非零說明兩個線程是同一線程，為零說明兩個線程不是同一線程。
pthread_join()
API: int pthread_join(pthread_t thread, void** value_ptr);
說明：thread 為等待終止的目標線程，value_ptr為一指針，當值不為NULL時指向一個內(nèi)存空間，這個空間用來存放目標線程傳給pthread_exit()的數(shù)據(jù)。調(diào)用pthread_join()的線程將被掛起，直到目標線程終止。一個線程僅允許唯一的線程使用pthread_join()等待它的終止，并且被等待的線程應(yīng)該處于非DETACHED狀態(tài)。QNX也提供了非POSIX的 pthread_timedjoin()，不同之處是線程在給定時間里沒有被join時，此函數(shù)會返回一個錯誤信息。
pthread_detach()
API: int pthread_detach(pthread_t thread);
說明：此函數(shù)功能是將一給定線程thread分離，當一個出于分離狀態(tài)的線程終止時，線程擁有的所有系統(tǒng)資源將被立即釋放。
2 QNX線程的互斥和同步機制
線程間的互斥操作是指對于特定的一段代碼或一個變量，在程序運行時只能有一個線程對其進行操作，其他線程不能同時進入代碼或修改變量。線程間的同步操作是指若干個線程都等待某個事件的發(fā)生，當這個事件發(fā)生時，所有的線程同時進行下一步工作。為了防止競爭條件和數(shù)據(jù)被破壞的情況發(fā)生，QNX提供了多種互斥和同步機制，包括互斥體、條件變量、信號燈、屏障、讀/寫鎖、sleepon鎖等，其中最主要的是互斥體和條件變量，其余的同步機制都是由他們組合而成的，當然你也可以根據(jù)自己的要求構(gòu)建自己的同步機制。
互斥體——QNX使用了互斥體來實現(xiàn)互斥操作，在初始化互斥體后，將給定的代碼或變量的前后進行加鎖、解鎖操作，線程在訪問之前要先得到互斥體，這樣就可以保證只有一個線程能訪問到代碼或變量，而其余的線程會處于阻塞狀態(tài)直到互斥體被釋放。這種機制保證了線程對資源訪問的互斥性，達到了對代碼或變量的保護。
條件變量——QNX的條件變量用來同步線程，所有線程都會等待一個條件變量可用，當條件滿足時，一個線程發(fā)出廣播或信號來同步所有的線程或某一線程。為了防止多個線程同時申請等待而產(chǎn)生競爭，條件變量通常要與互斥體聯(lián)合使用。
信號燈——QNX信號燈也是一種符合POSIX標準的的同步機制，它是由互斥體和條件變量結(jié)合一些數(shù)據(jù)構(gòu)造而成的，QNX系統(tǒng)將其封裝在C語言庫函數(shù)中，頭文件是
屏障——POSIX 1003.1j提議的內(nèi)容，主要由互斥體、條件變量和計數(shù)器構(gòu)造而成。作用是停止某些線程，當所要求的線程數(shù)量到達屏障時，所有的線程被允許繼續(xù)運行。屏障通常被用來確保某些并行算法中的所有合作線程在任何線程可以繼續(xù)運行以前到達算法中的一個特定點。
讀/寫鎖——POSIX 1003.1j提議的內(nèi)容，主要由一個互斥體和兩個條件變量構(gòu)造，兩個條件變量分別控制讀寫操作。讀/寫鎖允許多個線程同時讀數(shù)據(jù)，但是禁止任何線程修改正在被其他線程讀或修改的數(shù)據(jù)，也可以讓一個線程獨占寫訪問，但此時任何讀訪問的線程都不能繼續(xù)，直到讀/寫鎖被釋放，所以讀/寫鎖被用來保護經(jīng)常需要讀但是通常不需要修改的信息。
Sleepon鎖——QNX6所獨有的一種同步機制，由一個互斥體和一些數(shù)據(jù)構(gòu)造而成，與條件變量相似但是用法比較簡單。它與條件變量的不同在于當有N個線程阻塞在M個對象的時候，如果用條件變量來同步時需要用到M個條件變量，而sleepon鎖為每個線程自動分配條件變量，只需要N個條件變量，使用合適可以節(jié)約系統(tǒng)資源。
3 多線程程序的設(shè)計分析與基本結(jié)構(gòu)
3.1多線程程序的設(shè)計分析
1)確定完成任務(wù)所需的最少線程個數(shù)。
多余的線程只會使程序的復雜性增加，出錯的可能性也隨之增加。設(shè)計程序時要遵循簡單、高效、安全的原則，如果用單線程能夠很好的完成任務(wù)，那么一定不要用多線程。
2)分析多線程需要共享的數(shù)據(jù)。
在多線程程序中常常需要共享一些數(shù)據(jù)，通常是一些全局變量，如果數(shù)據(jù)量很大可能需要開辟共享內(nèi)存區(qū)。
3) 根據(jù)共享數(shù)據(jù)的特點選擇需要的保護機制。
多個線程需要寫操作的變量可以用互斥體保護，經(jīng)常需要讀操作而很少進行寫操作的可以用讀/寫鎖保護等。
4) 分析工作線程需要訪問資源。
工作線程可能需要訪問硬件，等待硬件響應(yīng)、可能需要訪問某一數(shù)據(jù)庫、也可能不訪問任何資源只是進行一些計算等等。這時需要考慮相應(yīng)的同步機制，可以用條件變量結(jié)合互斥體，也可以用更為簡單的sleepon鎖。
5)進行線程的清理工作。
線程完成工作后可能會自動退出，也可能會阻塞在某處，甚至工作線程還沒完成工作的時候主線程已經(jīng)退出，造成整個進程的結(jié)束，使程序失敗。有多種方法可以完成線程的清理工作，可以讓主線程調(diào)用pthread_join()函數(shù)清理工作線程，可以用屏障同步機制清理，也可以用條件變量來完成清理工作。
3.2多線程程序的基本結(jié)構(gòu)
多線程編程的結(jié)構(gòu)有很多種，但基本的編程結(jié)構(gòu)總結(jié)起來有三種：流水線結(jié)構(gòu)、工作組結(jié)構(gòu)、客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)可以以任意方式組合，來滿足實際工程的需求。
1) 流水線結(jié)構(gòu)
在流水線結(jié)構(gòu)中，需要處理的“數(shù)據(jù)”串行地被一組線程順序處理，每個線程依次在每個數(shù)據(jù)元素上執(zhí)行一個特定的操作，完成操作后將結(jié)果傳遞給流水線中的下一個線程。如圖1所示。
2) 工作組結(jié)構(gòu)
在工作組結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)有一組線程分別獨立地處理，每個線程處理不同的部分。由于所有的工作線程在不同的數(shù)據(jù)部分上執(zhí)行相同的操作，這種模式通常被稱為SIMD（單指令多數(shù)據(jù)流）并行處理。但是工作組中的線程可以不使用SIMD模型，他們可以在不同的數(shù)據(jù)上執(zhí)行不同的操作。工作組結(jié)構(gòu)是多線程程序應(yīng)用較多的一種結(jié)構(gòu)。如圖2所示
圖2 工作組結(jié)構(gòu)
3) 客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)
在客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)中，客戶請求服務(wù)器對一組數(shù)據(jù)執(zhí)行某個操作。客戶端獨立地執(zhí)行操作，而客戶端或者等待服務(wù)器執(zhí)行的結(jié)果，或者并行執(zhí)行另外的任務(wù)，在后面需要時在查找結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)又是一種對某些公共資源同步管理的簡單方式。如圖3
4 QNX Neutrino內(nèi)核對于線程功能的擴展
具有Neutrino內(nèi)核的QNX6操作系統(tǒng)對線程的功能進行了擴展，提供了一些POSIX標準沒有提供的功能。
1）POSIX標準規(guī)定使用互斥體的線程必須在同一進程內(nèi)，作為擴展QNX支持在不同進程中的線程使用互斥體。如果在兩個進程間創(chuàng)建一塊共享內(nèi)存，并在內(nèi)存中初始化一個互斥體，那么兩個進程之間的線程可以用這個互斥體來進行同步操作，這是POSIX做不到的。
2） QNX操作系統(tǒng)還提出了一種獨特的“線程池”概念。當程序需要很多線程同時工作時，利用“線程池”可以將線程的個數(shù)限定在一定的范圍內(nèi)�！案咚弧�、“低水位”的概念分別對應(yīng)著程序中的最大線程數(shù)和最小線程數(shù)。當程序中線程數(shù)目小于“低水位”時，“線程池”會自動創(chuàng)建新的線程進行工作，當線程數(shù)目大于“高水位”時，“線程池”會“清除”多于的線程，以防止溢出。這樣程序?qū)⑹冀K保持著一定數(shù)量的線程在工作，“線程池”特別適用客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，可以很好地保護服務(wù)器的資源。QNX提供了專門的程序庫來管理“線程池”頭文件是
5 QNX系統(tǒng)下實用編譯方法
筆者編制了QNX環(huán)境下的通用Makefile，用于編譯多線程程序，當然也適用于單線程程序的編譯，而這個Makefile稍加改動便可以用于LINUX/UNIX系統(tǒng)中，筆者在RedHat Linux7下試驗通過。用法，首先將此Makefile 和所要編譯的c/c++程序（支持多個c/c++程序）/頭文件放置于一個目錄中，在終端上鍵入make，此Makefile將自動把所有相關(guān)源代碼連接編譯成名為go的可執(zhí)行文件，要運行編譯好的程序，只需在終端上鍵入./go便可。在終端上鍵入make clean將把所有的編譯產(chǎn)生的臨時文件刪除，只留下原始文件和make文件，在終端上鍵入make depend將檢查文件的依賴性，源代碼如下：
EXECUTABLE=go
LINKCC=$(CC)
#如果用于LINUX/UNIX系統(tǒng)，要求安裝可移植線程庫，并裝入下列函數(shù)庫
#LIBS=-lm –lpthread -lsocket
#如果用于QNX系統(tǒng)裝入下面的函數(shù)庫
LIBS=-lm –lsocket
#如果編譯c++程序?qū)⑾旅鎔cc改為g++
CC=gcc
CFLAGS=-Wall -g
CXX=g++
CXXFLAGS=$(CFLAGS)
SRCS:=$(wildcard *.c) $(wildcard *.cc) $(wildcard *.C)
OBJS:=$(patsubst %.c,%.o,$(wildcard *.c))\
$(patsubst %.cc,%.o
,$(wildcard *.cc))\
$(patsubst %.C,%.o,$(wildcard *.C))
DEPS:=$(patsubst %.o,%.d,$(OBJS))
all:$(EXECUTABLE)
$(EXECUTABLE):$(DEPS) $(OBJS)
$(LINKCC) $(LDFLAGS) -o $(EXECUTABLE) $(OBJS) $(LIBS)
%.d:%.c
$(CC) -M $(CPPFLAGS) $< >$@
$(CC) -M $(CPPFLAGS) $< |sed s/\\.o/.d/>$@
%.d:%.cc
$(CXX) -M $(CPPFLAGS) $< >$@
$(CXX) -M $(CPPFLAGS) $< |sed s/\\.o/.d/>$@
%.d:%.C
$(CXX) -M $(CPPFLAGS) $< >$@
$(CXX) -M $(CPPFLAGS) $< |sed s/\\.o/.d/>$@
clean:
-rm $(OBJS) $(EXECUTABLE) $(DEPS)
# -rm ./*.* 如果有一些臨時的記錄文件無法自動去掉加在這里
depend: $(DEPS)
@echo "Dependencies are now up-to-date."
6 總結(jié)
QNX實時操作系統(tǒng)的實時性很好，上下文切換時間、中斷延時都非常微小，本身提供了對于多線程技術(shù)的強大支持，如果在QNX下使用多線程編程技術(shù)來解決大型并發(fā)多任務(wù)系統(tǒng)的控制調(diào)度，其優(yōu)勢是很大的，前景也是很廣闊的。
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