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隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)CPU的核心數(shù)量越來越多，多線程編程已成為現(xiàn)代程序員必備技能。然而，多線程編程的一個常見問題就是線程搶占，它能夠顯著影響程序的性能。在Linux環(huán)境中，線程搶占已經(jīng)被納入操作系統(tǒng)核心中，多線程編程者可以利用這種機(jī)制，提高程序的運(yùn)行效率。
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什么是線程搶占？
線程搶占是指當(dāng)多個線程同時運(yùn)行時，操作系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則強(qiáng)制立即停止當(dāng)前正在運(yùn)行的線程，并讓優(yōu)先級高的線程接管CPU的時間片。因此，線程搶占是一種優(yōu)先級管理機(jī)制，它允許更高優(yōu)先級的線程優(yōu)先處理，以確保系統(tǒng)得到更好的響應(yīng)時間和性能。
Linux系統(tǒng)的線程搶占
Linux系統(tǒng)自2023年內(nèi)核版本2.6.23之后，實(shí)現(xiàn)了基于時間片和實(shí)時優(yōu)先級兩種策略的線程搶占機(jī)制。這個機(jī)制可以讓操作系統(tǒng)切換線程時執(zhí)行更平穩(wěn)，以提高多線程程序的響應(yīng)度和運(yùn)行效率。
Linux搶占的兩種策略
在時間片策略中，線程執(zhí)行的時間是有限制的，Linux允許操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)線程，從而確保每個線程都有足夠的時間片來執(zhí)行自己的任務(wù)。
實(shí)時優(yōu)先級策略允許使用程序員指定線程的優(yōu)先級，以確保關(guān)鍵線程能夠得到必要的處理時間。如果在程序執(zhí)行期間，更高優(yōu)先級的線程被創(chuàng)建或是發(fā)生特定事件，會對低優(yōu)先級線程進(jìn)行搶占。
利用線程搶占提高多線程運(yùn)行效率
線程搶占機(jī)制在現(xiàn)代程序設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用。例如，在多線程服務(wù)器應(yīng)用程序中，可以充分利用線程搶占機(jī)制來更好地分配工作負(fù)載。操作系統(tǒng)可以自動根據(jù)程序優(yōu)先級分配運(yùn)行時間，從而提高并發(fā)處理的效率。
此外，在高性能系統(tǒng)中，利用線程搶占來控制系統(tǒng)運(yùn)行速度，從而更好地優(yōu)化CPU資源，可以帶來更高的性能。
線程搶占的局限性
盡管線程搶占是一個強(qiáng)大的工具，但并非所有編程環(huán)境都能充分利用它。例如，當(dāng)程序已經(jīng)使用了某些I/O操作時，線程搶占適用性會大大降低，因?yàn)樵谀承┎僮鲌?zhí)行期間，線程無法響應(yīng)操作系統(tǒng)的搶占任務(wù)。
此外，多線程程序的缺陷也可能與線程搶占有關(guān)。如果線程的優(yōu)先級無法正確設(shè)置，程序可能會在高負(fù)荷運(yùn)行期間出現(xiàn)死鎖或其他異常情況，而線程搶占僅是一個緩解這些問題的工具之一。
作為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)編程的一部分，多線程程序運(yùn)行效率的提高一直是重要的挑戰(zhàn)。利用linux線程搶占機(jī)制，在多線程編程中實(shí)現(xiàn)對CPU時間的更好利用。無論是在高負(fù)載服務(wù)器還是高性能計(jì)算機(jī)環(huán)境中，都可以通過線程搶占來優(yōu)化系統(tǒng)性能和提高并發(fā)效率。但是，線程搶占不是萬能的，程序員必須謹(jǐn)慎處理線程的優(yōu)先級，才能充分發(fā)揮線程搶占的優(yōu)勢。
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嚴(yán)重關(guān)注：在嵌入試LINUX系統(tǒng)該使用哪個線程庫
嚴(yán)重關(guān)注： 在嵌入試LINUX系統(tǒng)該使用哪個線程庫?:30:02
分類： LINUX
在Redhat9.0下面， 創(chuàng)建一個進(jìn)程。getpid();得到進(jìn)程ID，然后在進(jìn)程里用pthreadcreate幾個線程，在線程里調(diào)用getpid, pthreadgetselfid()的到進(jìn)程ID和線程ID， 發(fā)現(xiàn)該線程的進(jìn)程ID和它所屬的進(jìn)程ID是一樣的， 線程ID卻逗罩不同。當(dāng)是在小機(jī)里用gcc里的線程庫，得到的結(jié)果是線程ID和進(jìn)程ID是不同的，即線程山拿鬧也當(dāng)作進(jìn)程來對待，而且多了幾個其它線程在運(yùn)行，若線程當(dāng)作進(jìn)程來對待效率是比較低的。在網(wǎng)上查了下linux的線程庫，發(fā)現(xiàn)新內(nèi)核中的LD用的是The Native POSIX Thread Library （NPTL）， 而小機(jī)上用的是老的GCC里的線程庫。
如何在Redhat9上面用老的線程庫呢，在系統(tǒng)環(huán)境變量中加入LD_ASSUME_KERNEL=2.4.19就OK了
因?yàn)槔习姹緝?nèi)核中是不用NPTL庫的， 這樣LD連接程序的時候就不用NPTL, 在PC LINUX的
小機(jī)模擬器的模擬就和小機(jī)一樣不用NPTL了。
那么到底是不是該把小機(jī)的線程庫換成NPTL呢， 看看來自
的測試吧：
Linux 線程庫性能測試與分析
楊沙洲國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院
2023 年 7 月 01 日
NPTL 成為 glibc “正選”線程庫后，它的性能如何受到很多人的關(guān)注。本文就針對NPTL 與 LinuxThreads 的性能比較，以及超線程、內(nèi)核可搶占等特性對線程性能的影響進(jìn)行了全面評測。
一、 前言
在 Linux 2.6.x 內(nèi)核中，調(diào)度性能的改進(jìn)是其中最引人注目的一部分。NPTL（Native Posix Thread Library）使用內(nèi)核的新特性重寫敏游了 Linux 的線程庫，取代歷史悠久而備受爭議的 LinuxThreads 成為 glibc 的首選線程庫。
NPTL 的性能究竟如何？相對 LinuxThreads 又有哪些明顯的改進(jìn)？在對NPTL進(jìn)行全面分析之前，本文針對這兩種線程庫，以及內(nèi)核中”內(nèi)核可搶占”（Preemptible）和超線程（HyperThreading）等特性進(jìn)行了全面的性能評測，結(jié)果表明NPTL絕對值得廣大服務(wù)器系統(tǒng)期待和使用。
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二、 Benchmark
1. 測試平臺
進(jìn)行本測試的硬件平臺為浪潮NF420R服務(wù)器，4個Hyperthreading-enabled Intel Xeon 2.2G處理器，4G內(nèi)存。Linux選擇了Slackware 9.0發(fā)行版，所使用的內(nèi)核源碼來自
www.kernel.org
。
2. 針對測試：LMBench
lmbench是一個用于評價系統(tǒng)綜合性能的多平臺開源benchmark，但其中沒有對線程的支持。其中有兩個測試進(jìn)程性能的benchmark：lat_proc用于評測進(jìn)程創(chuàng)建和終止的性能，lat_ctx用于評測進(jìn)程切換的開銷。lmbench擁有良好的benchmark結(jié)構(gòu)，只需要修改具體的Target程序（如lat_proc.c和lat_ctx.c），就可以借用lmbench的計(jì)時、統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)得到我們關(guān)心的線程庫性能的數(shù)據(jù)。
基于lat_proc和lat_ctx的算法，本文實(shí)現(xiàn)了lat_thread和lat_thread_ctx兩個benchmark。在lat_thread中，lat_proc被改造成使用線程，用pthread_create()替代了fork()，用pthread_join()替代wait()；在lat_thread_ctx中，沿用lat_ctx的評測算法（見lat_ctx手冊頁），將創(chuàng)建進(jìn)程的過程改寫為創(chuàng)建線程，仍然使用管道進(jìn)行通信和同步。
lat_thread null
null參數(shù)表示線程不進(jìn)行任何實(shí)際操作，創(chuàng)建后即刻返回。
lat_thread_ctx -s #threads
size參數(shù)與lat_ctx定義相同，可表示線程的大小（實(shí)際編程時為分配K數(shù)據(jù)；#threads參數(shù)為線程數(shù)，即參與令牌傳遞的線程總數(shù)，相當(dāng)于程序負(fù)載情況。
3. 綜合測試：Volanomark
volanomark是一個純java的benchmark，專門用于測試系統(tǒng)調(diào)度器和線程環(huán)境的綜合性能，它建立一個模擬Client/Server方式的Java聊天室，通過獲取每秒平均發(fā)送的消息數(shù)來評測宿主機(jī)綜合性能（數(shù)值越大性能越好）。Volanomark測試與Java虛擬機(jī)平臺相關(guān)，本文使用Sun Java SDK 1.4.2作為測試用Java平臺，Volanomark版本2.5.0.9。
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三、 測試結(jié)果
測試計(jì)劃中將內(nèi)核分為2.4.26、2.6.6/支持內(nèi)核搶占和2.6.6/不支持內(nèi)核搶占三類；通過配置內(nèi)核以及NF420R的BIOS實(shí)現(xiàn)三類P規(guī)模：單處理機(jī)(UP)、4CPU的P（P4）和打開超線程支持的虛擬8CPU P（P8*）。內(nèi)核配置和P規(guī)模的每一種組合都針對LinuxThreads和NPTL使用lat_thread、lat_thread_ctx和volanomark獲取一組數(shù)據(jù)。由于NPTL無法在2.4.x內(nèi)核上使用，該項(xiàng)數(shù)據(jù)空缺。
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四、 結(jié)果分析
1. LinuxThreads vs NPTL：線程創(chuàng)建/銷毀開銷
使用2.6.6/preemptible內(nèi)核配置下UP和P4的測試數(shù)據(jù)獲得下圖：
圖1
在線程創(chuàng)建/銷毀開銷方面，NPTL的改進(jìn)相當(dāng)明顯（降低約600%）。實(shí)際上，NPTL不再像LinuxThreads那樣需要使用用戶級的管理線程來維護(hù)線程的創(chuàng)建和銷毀，因此，很容易理解它在這方面的開銷能夠大幅度降低。
同時，由圖可見，單CPU下創(chuàng)建線程總是比多CPU下迅速。
2. LinuxThreads vs NPTL：線程切換開銷
同樣使用2.6.6/preemptible內(nèi)核配置下UP和P4的數(shù)據(jù)：
圖2
隨著lat_thread_ctx的參與線程增多，不管是哪個線程庫，單處理機(jī)條件下的線程切換開銷都陡峭上升，而P條件下則上升比較平緩。在這方面，LinuxThreads和NPTL表現(xiàn)基本相同。
3. 內(nèi)核影響
圖3
圖4
圖5
圖6
從上面四張圖中我們可以得出兩點(diǎn)結(jié)論：
“內(nèi)核可搶占”是Linux對實(shí)時應(yīng)用提供更好支持的有力保障，但對線程性能影響很小，甚至有一點(diǎn)損失，畢竟搶占鎖的開銷不可忽略；
升級內(nèi)核并不會對LinuxThreads線程庫性能帶來多少變化，因此，對于服務(wù)器系統(tǒng)而言，不能指望僅僅編譯使用新內(nèi)核就能提高性能。
圖7
圖8
從圖3、圖4我們已經(jīng)知道，打開超線程支持對線程創(chuàng)建/銷毀性能幾乎沒有影響，而這兩張圖表也進(jìn)一步說明，超線程技術(shù)對于線程切換開銷也沒有明顯的影響。超線程技術(shù)是CPU內(nèi)部的優(yōu)化技術(shù)，和真正的雙CPU完全不同。大量研究表明，如果沒有內(nèi)核與用戶應(yīng)用相結(jié)合的專門優(yōu)化措施，超線程并不會帶來很大的性能變化。除非是高負(fù)載綜合服務(wù)器系統(tǒng)（例如繁忙的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)），購買超線支持的CPU并不能帶來多少好處。
4. 綜合性能
圖9
圖9
前面幾節(jié)分析讓我們了解了線程庫性能改進(jìn)的細(xì)節(jié)，通過volanomark測試，我們可以近似得到在綜合應(yīng)用環(huán)境下，特別是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求中線程庫以及內(nèi)核對系統(tǒng)整體性能的影響程度。
圖9綜合了不同內(nèi)核、不同處理機(jī)數(shù)條件下，兩種線程庫的volanomark結(jié)果。從圖中可以觀察到以下三點(diǎn)：
NPTL能極大提高P環(huán)境下服務(wù)器系統(tǒng)的整體性能（超過65%），相對而言，對單處理機(jī)系統(tǒng)影響較?。?0%左右）；
2.6內(nèi)核的搶占特性對系統(tǒng)性能影響很?。ú怀^±1%），某些情況下甚至有所下降；
超線程技術(shù)在LinuxThreads中的影響是負(fù)面的，在NPTL中是正面的，但影響幅度都很?。?%-6%）。
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網(wǎng)站題目：Linux線程搶占：提高多線程運(yùn)行效率的利器(linux線程搶占)
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