iOS底層系統：Mach調度原理之調度原語

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Git地址：github.com/knowtheroot…

• 線程：和全部的現代操做系統同樣，Mach內核調度的對象是線程。
• 任務：Mach中使用一個比進程更輕量級的概念：任務（task）。

最基本的單位是線程，一個任務包含一個或多個線程。

1、線程（thread）

1.什麼是線程

線程的定義

線程（thread）定義了match中最小的執行單元。

線程的含義

線程表示的是底層的機器寄存器狀態以及各類調度統計數據。

線程的設計

線程從設計上提供了調度所須要的大量信息，同時儘量地維持最小開銷。

2.線程的實現

這裏以簡化的代碼爲例子：

struct thread {
    /* 頻繁讀，但不多修改的字段 */
    queue_chain_t links;        /* 運行隊列/等待隊列的鏈表鏈接 */
    wait_queue_t wait_queue;        /* 所在的等待隊列 */
    
    ...
    ...
    
    /* thread_invoke中更新/使用的數據 */
    vm_offset_t kernel_stack;        /* 當前的內核棧 */
    vm_offset_t reserved_stack;      /* 預留的內核棧 */
    
    ...
    ...
    
    /*
     * 線程狀態位
    */
    #define TH_WAIT 0x01 /* 在隊列中等待 */
    #define TH_SUSP 0x02 /* 中止，或請求中止 */
    #define TH_RUN 0x04 /* 正在運行或在運行隊列中 */
    #define TH_UNINT 0x08 /* 在不可中斷的等待 */
    #define TH_TERMINATE 0x10 /* 終止時同時運行 */
    #define TH_TERMINATE2 0x20 /* 添加到終止隊列 */
    #define TH_IDLE 0x80 /* 空閒線程 */
    
    ...
    ...
    
    /* 調度信息 */
    sched_mode_t sched_mode;     /* 調度模式 */
    sched_mode_t saved_mode;     /* 在被迫模式降級時保存的模式 */
    
    ...
    ...
    
    /* 調度相關的狀態位 */
    integer_t sched_pri;     /* 當前調度的優先級 */
    integer_t priority;      /* 基礎優先級 */
    integer_t importance ;   /* 任務相關的重要性 */
    
    ...
    ...
    
    /* 定時相關的數據結構 */
    timer_data_t user_timer;     /* 用戶定時器 */
    
    ...
    ...
}
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線程模板thread_template

能夠發現，thread的數據結構是很是巨大的，所以大部分建立線程的時候都是從一個通用的模板複製而來，這個模板使用默認值填充這個數據結構。這個模板名爲thread_template。
內核引導的過程當中，調用thread_bootstrap()方法負責填充這個模板。
thread_create_internal()函數會分配新的線程數據結構。
Mach API的thread_create() 就是經過thread_create_internal()實現的。

線程的容器

Mach將任務定義爲線程的容器。
資源是在任務這個層次處理的，線程只能經過端口訪問包含這個線程的任務中分配的資源和內存。

2、任務（task）

1.任務的定義

任務（task）是一種容器對象。虛擬內存空間和其餘資源都是經過這個容器對象管理的。
資源被進一步抽象爲端口。
所以資源的共享實際上至關於容許對對應端口進行訪問。

每個BSD進程（也就是OS X進程）都在底層關聯了一個Mach任務對象。

相對於線程，任務是一個比較輕量級的數據結構：

struct task {
    /* 同步相關的信息 */
    unit_32_t ref_count;     /* 引用計數 */
    boolean_t active;        /* 任務尚未終止 */
    boolean_t halting;       /* 任務被中止 */
    
    ...
    ...
    
    /* 雜項 */
    vm_map_t map;       /* 地址空間映射 */
    
    ...
    ...
    
    /* 任務中的線程 */
    queue_head_t threads;            /* 用FIFO隊列保存線程 */
    int thread_count;                /* 線程隊列中的線程數 */
    unit32_t active_thread_count;    /* 活動的線程數 */
    
    integer_t priority;      /* 線程基礎優先級 */
    integer_t max_priority;  /* 線程的最高優先級 */
    
    ...
    ...
    
    //每一個任務都有本身私有的端口名稱空間
    struck ipc_space *itk_space;
    
    ...
    ...
    
    #ifdef MACH_BSD
        void *bsd_info;     //指向BSD進程對象
    #endif
}
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2.任務存在的目的

就自己而言，任務是沒有生命的。任務存在的目的就是要成爲一個或多個線程的容器。
任務中的線程都在threads成員中維護，這是一個包含thread_count個線程的隊列。

3.任務的操做

大部分針對任務的操做實際上就是遍歷給定任務中的全部線程，並對這些線程進行對應的線程操做。

4.帳本

定義

帳本（ledger）是Mach任務的配額記帳和設置限制所須要的機制。
資源（通常指CPU資源和內存資源）能夠在帳本間轉移。

3、任務和線程相關的API

1.獲取當前的任務和線程

在任什麼時候刻，內核都必須可以得到當前任務和當前線程的句柄。
內核分別經過：

• current_task()
• current_thread()

兩個函數來完成。

2.函數內部實現

以上兩個函數都是對「fast」版本的函數調用的宏。既：

• current_task()調用current_task_fast()
• current_thread()調用current_thread_fast()

4、任務相關的API

Mach提供了完整的一套用於操做任務的API。
這裏列舉幾個接口：

Mach任務相關API	用途
mach_task_self()	獲取任務端口，帶有發送權限的名稱
task_create(task_t target_task, ledger_array_t ledgers, mach_msg_type_number_t boolean_t task_t *child_task)	以target_task爲父任務建立一個child_task。

5、線程相關的API

相似任務相關的API，Mach還提供了豐富的線程管理API。這些API大部分都和任務API的功能相似。
實際上，任務API一般的實現方法就是遍歷任務中的線程列表，而後對每一個線程執行對應的操做。
這些調用大部分都是經過Mach消息實現的。

注意：phtread中的指POSLX的系統調用。

1.內核私有的線程API

Mach內核提供了一組線程控制的函數，這些函數只能內核態中調用，這裏暫時不作展開。

2.線程建立

咱們特別關注一下線程建立的API。
這部分接口定義在<mach/ARCH/task.h>中：

Mach線程API	用途
thread_create(task_t parent, thread_act_t *child_act)	在parent任務中建立一個線程，將結果返回在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任務中建立一個線程，其初始狀態爲new_state，thread_state_t與機器架構有關

注意第一個參數是task_t，這個參數表示建立線程的任務。
從Mach的角度看，線程能夠建立在任何任務中，只要用戶具備任務對應的端口便可。

當調用pthread_create()的時候，底層轉而會調用Mach的APi調用thread_create()方法。

注意：

建立一個線程並不困難，可是要讓線程作有意義的事情則不是那麼容易了。這一內容將在後面討論。