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iOS底层系统:Mach调度原理之调度原语

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Git地址:github.com/knowtheroot…

  • 线程:和所有的现代操作系统一样,Mach内核调度的对象是线程。
  • 任务:Mach中使用一个比进程更轻量级的概念:任务(task)。

最基本的单位是线程,一个任务包含一个或多个线程。

一、线程(thread)

1.什么是线程

线程的定义

线程(thread)定义了match中最小的执行单元。

线程的含义

线程表示的是底层的机器寄存器状态以及各种调度统计数据

线程的设计

线程从设计上提供了调度所需要的大量信息,同时尽可能地维持最小开销。

2.线程的实现

这里以简化的代码为例子:

struct thread {
    /* 频繁读,但很少修改的字段 */
    queue_chain_t links;        /* 运行队列/等待队列的链表连接 */
    wait_queue_t wait_queue;        /* 所在的等待队列 */
    
    ...
    ...
    
    /* thread_invoke中更新/使用的数据 */
    vm_offset_t kernel_stack;        /* 当前的内核栈 */
    vm_offset_t reserved_stack;      /* 预留的内核栈 */
    
    ...
    ...
    
    /*
     * 线程状态位
    */
    #define TH_WAIT         0x01        /* 在队列中等待 */
    #define TH_SUSP         0x02        /* 停止,或请求停止 */
    #define TH_RUN          0x04        /* 正在运行或在运行队列中 */
    #define TH_UNINT        0x08        /* 在不可中断的等待 */
    #define TH_TERMINATE    0x10        /* 终止时同时运行 */
    #define TH_TERMINATE2   0x20        /* 添加到终止队列 */
    #define TH_IDLE         0x80        /* 空闲线程 */
    
    ...
    ...
    
    /* 调度信息 */
    sched_mode_t sched_mode;     /* 调度模式 */
    sched_mode_t saved_mode;     /* 在被迫模式降级时保存的模式 */
    
    ...
    ...
    
    /* 调度相关的状态位 */
    integer_t sched_pri;     /* 当前调度的优先级 */
    integer_t priority;      /* 基础优先级 */
    integer_t importance ;   /* 任务相关的重要性 */
    
    ...
    ...
    
    /* 定时相关的数据结构 */
    timer_data_t user_timer;     /* 用户定时器 */
    
    ...
    ...
}
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线程模板thread_template

可以发现,thread的数据结构是非常巨大的,因此大部分创建线程的时候都是从一个通用的模板复制而来,这个模板使用默认值填充这个数据结构。这个模板名为thread_template。
内核引导的过程中,调用thread_bootstrap()方法负责填充这个模板。
thread_create_internal()函数会分配新的线程数据结构。
Mach API的thread_create() 就是通过thread_create_internal()实现的

线程的容器

Mach将任务定义为线程的容器
资源是在任务这个层次处理的,线程只能通过端口访问包含这个线程的任务中分配的资源和内存

二、任务(task)

1.任务的定义

任务(task)是一种容器对象。虚拟内存空间和其他资源都是通过这个容器对象管理的。
资源被进一步抽象为端口。
因此资源的共享实际上相当于允许对对应端口进行访问。

每一个BSD进程(也就是OS X进程)都在底层关联了一个Mach任务对象。

相对于线程,任务是一个比较轻量级的数据结构:

struct task {
    /* 同步相关的信息 */
    unit_32_t ref_count;     /* 引用计数 */
    boolean_t active;        /* 任务还没有终止 */
    boolean_t halting;       /* 任务被停止 */
    
    ...
    ...
    
    /* 杂项 */
    vm_map_t map;       /* 地址空间映射 */
    
    ...
    ...
    
    /* 任务中的线程 */
    queue_head_t threads;            /* 用FIFO队列保存线程 */
    int thread_count;                /* 线程队列中的线程数 */
    unit32_t active_thread_count;    /* 活动的线程数 */
    
    integer_t priority;      /* 线程基础优先级 */
    integer_t max_priority;  /* 线程的最高优先级 */
    
    ...
    ...
    
    //每个任务都有自己私有的端口名称空间
    struck ipc_space *itk_space;
    
    ...
    ...
    
    #ifdef MACH_BSD
        void *bsd_info;     //指向BSD进程对象
    #endif
}
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2.任务存在的目的

就本身而言,任务是没有生命的。任务存在的目的就是要成为一个或多个线程的容器
任务中的线程都在threads成员中维护,这是一个包含thread_count个线程的队列。

3.任务的操作

大部分针对任务的操作实际上就是遍历给定任务中的所有线程,并对这些线程进行对应的线程操作

4.账本

定义

账本(ledger)是Mach任务的配额记账和设置限制所需要的机制。
资源(一般指CPU资源和内存资源)可以在账本间转移。

三、任务和线程相关的API

1.获取当前的任务和线程

在任何时刻,内核都必须能够获得当前任务和当前线程的句柄。
内核分别通过:

  • current_task()
  • current_thread()

两个函数来完成。

2.函数内部实现

以上两个函数都是对“fast”版本的函数调用的宏。既:

  • current_task()调用current_task_fast()
  • current_thread()调用current_thread_fast()

四、任务相关的API

Mach提供了完整的一套用于操作任务的API。
这里列举几个接口:

Mach任务相关API 用途
mach_task_self() 获取任务端口,带有发送权限的名称
task_create(task_t target_task, ledger_array_t ledgers, mach_msg_type_number_t boolean_t task_t *child_task) 以target_task为父任务创建一个child_task。

五、线程相关的API

类似任务相关的API,Mach还提供了丰富的线程管理API。这些API大部分都和任务API的功能类似。
实际上,任务API通常的实现方法就是遍历任务中的线程列表,然后对每个线程执行对应的操作
这些调用大部分都是通过Mach消息实现的。

注意:phtread中的指POSLX的系统调用。

1.内核私有的线程API

Mach内核提供了一组线程控制的函数,这些函数只能内核态中调用,这里暂时不做展开。

2.线程创建

我们特别关注一下线程创建的API。
这部分接口定义在<mach/ARCH/task.h>中:

Mach线程API 用途
thread_create(task_t parent, thread_act_t *child_act) 在parent任务中创建一个线程,将结果返回在child_act中
thread_create_running(task_t parent, thread_state_flavor_t flavor, thread_state_t new_state, mach_msg_type_number_t nsCnt, thread_act_t *child_act) 在parent任务中创建一个线程,其初始状态为new_state,thread_state_t与机器架构有关

注意第一个参数是task_t,这个参数表示创建线程的任务。
从Mach的角度看,线程可以创建在任何任务中,只要用户具有任务对应的端口即可。

当调用pthread_create()的时候,底层转而会调用Mach的APi调用thread_create()方法。

注意:

创建一个线程并不困难,但是要让线程做有意义的事情则不是那么容易了。这一内容将在后面讨论。