基于C语言开发实现的一个用户级线程库

资源下载地址：https://download.csdn.net/download/sheziqiong/85821835
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用户级线程库的实现

一、线程库的具体内容

使用线程库前首先要调用 uthread_init()。这个函数只执行一次，负责初始化数据结构，比如全局 uthreads 矩阵和 ut_curthr(当前正在执行的线程)。 uthread_init()中有一些特殊的代码，处理当前正在执行的进程的上下文(即调用 uthread_init()的进程)，使其成为一个有效的 uthread，并设置 ut_curthr 为该 uthread，这个 uthread 被称为主线程或 0 号线程。所有事情初始化后，可以使用线程 uthread_create()创建线程。

一旦创建好线程，线程库能够调度这些线程。若线程需要暂时 yield 处理器给另一个线程 (仍然是可执行的，即处于就绪态)，则需要调用 uthread_yield()。线程可以通过 uthread_block()进入睡眠态，也可以通过 uthread_wake()被唤醒。uthread_switch()函数负责选择另一个线程运行。调度器调度时，采用优先级调度算法，线程优先级可以由 uthread_setprio()设置，数字越大优先级越高，相同优先级的线程则轮流使用 CPU。每个优先级一个队列，相关的数据结构见 uthread_sched.c 中的 runq_table。

Uthreads 中的线程有 6 种状态，定义如下：

typedefenum{

UT_NO_STATE,/*无效的线程状态*/

UT_ON_CPU,/*线程正在执行*/

UT_RUNNABLE,/*线程可运行，就绪*/

UT_WAIT,/*线程被阻塞*/

UT_ZOMBIE,/*线程处于 zombie 状态，即已结束，但需要回收资源*/

UT_TRANSITION,/*线程处于创建状态*/

UT_JOINABLE,//线程结束时需要一个线程回收其资源

UT_DETACHABLE,//线程结束时，不需要一个线程回收其资源

UT_NUM_THREAD_STATES//线程状态数目

} uthread_state_t;

在 uthreads 中永远不会有多于一个线程同时执行，但线程可被抢占。在 uthreads 中，使用 uthread_makecontext()创建线程的机器上下文。如果需要改变当前正在执行线程，需要调用 uthread_swapcontext()，这使得当前 CPU 上下文被保存，新的上下文被执行。保存的上下文作为 newctx 参数在之后调用 uthread_swapcontext()时被重新执行。

Uthread 中有一个线程称之为 Reaper 线程，也就是 1 号线程，负责清理已结束线程占用的资源。值得注意的是 reaper 并不清理已经结束但还没有 joined 的 non-detached 线程，而是让 uthread_join()去完成。

二、实现过程

需要实现的函数如下（更具体的实现思路请看源代码的注释）。

uthread_yield：当前正在运行的线程让出 CPU，线程仍然处于可运行状态，即 UT_RUNNABLE。调用此函数时，当前线程加入到就绪队列，如果当前线程大于系统中已有的最高优先级线程，则直接从 uthread_yield 返回；否则放弃 CPU，转去执行最高优先级的线程。

uthread_wake：唤醒指定的线程，使其可再次被执行（注意：线程有可能已经处于就绪态）。所作的事情：改变状态，将其放入就绪队列。

uthread_setprio：改变指定线程的优先级。注意，如果线程已处于 UT_RUNNABLE 状态（可执行，但没有占有 CPU），则应该改变其优先级队列，如果该指定线程的优先级高于当前调用者，则调用者还要放弃 CPU；如果线程状态为 UT_TRANSITION，则它是一个刚创建的线程（即将第一次被放入就绪队列），将其状态改为 UT_RUNNABLE。成功时返回 1，否则返回 0。

uthread_switch：找到最高优先级的可运行线程，然后使用 uthread_swapcontext()切换到它（注意设置 UT_ON_CPU 线程状态和当前线程）。如果调用线程本身就是最高优先级线程，则切换回调用线程。主要工作：找出系统中优先级最高的线程，并切换（必须要有可执行线程）。

uthread_init：这个函数只在用户进程启动时调用一次，用于初始化所有的全局数据结构和变量。这个函数需要设置每一个线程的 ut_state 和 ut_id，简单起见，本系统中选择线程数组的下标作为 ut_id。

uthread_create：创建一个线程执行指定的函数，函数的参数为和，优先级为。首先，使用uthread_alloc找到一个有效的id，找不到时，返回合适的错误；然后，为线程分配栈，分配不成功时返回合适的错误；使用uthread_makecontext()创建线程的上下文；按照新发现的线程id，设置uthread_t结构，调用uthread_setprio设置线程的优先级，在中返回线程id。不成功时返回0。

uthread_exit：结束当前的线程（注意设置 uthread_t 中的标志）。如果线程是 UT_DETACHABLE，则通过调用 make_reapable()将其放入清理线程（reaper）清理队列并唤醒清理清理线程。如果线程是 UT_JOINABLE，则唤醒等待的线程。然后调用 uthread_switch()切换线程。

uthread_join：等待指定的线程结束，如果线程没有结束执行，调用线程需要阻塞，直到线程结束。主要工作：如果要等待的线程还没有结束，则置线程的等待线程为当前线程，线程状态改为 UT_WAIT，切换线程；如果成功地等到了线程结束，则调用 make_reapable 唤醒清理线程 reaper 将其彻底清理。错误条件及对应的 error code 参考 pthread_join 的 manpage。

uthread_self：返回当前正在执行的线程的 id。

uthread_alloc：找到一个自由的 uthread_t，返回其 id(uthread_id_t)。

uthread_destroy：清理指定的线程。

uthread_cond_init：初始化指定的条件变量。

uthread_cond_wait：等待指定的条件变量。改变当前线程的状态，释放当前线程占有的锁，并将当前线程放入条件变量的等待队列中，切换线程。

uthread_cond_broadcast：唤醒等待于此条件变量的所有线程。

uthread_cond_signal：唤醒等待于此条件变量的一个线程。

uthread_mtx_init：初始化指定的 mutex。

uthread_mtx_lock：如果没有线程占有该锁，则将锁的拥有者改为当前线程，否则，当前阻塞，让出 CPU。

uthread_mtx_trylock：试图上锁 mutex，得到锁时返回 1，否则返回 0。

uthread_mtx_unlock：释放锁。如果有其他线程在等待该锁，则唤醒它。

三、结果分析

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