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：和全部的现代操做系统同样，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。

1、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类调度统计数据。

线程的设计

线程从设计上提供了调度所须要的大量信息，同时尽量地维持最小开销。

2.线程的实现

这里以简化的代码为例子：

struct thread {
    /* 频繁读，但不多修改的字段 */
    queue_chain_t links;        /* 运行队列/等待队列的链表链接 */
    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 /* 中止，或请求中止 */
    #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

能够发现，thread的数据结构是很是巨大的，所以大部分建立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。
内核引导的过程当中，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() 就是经过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，线程只能经过端口访问包含这个线程的任务中分配的资源和内存。

2、任务（task）

1.任务的定义

任务（task）是一种容器对象。虚拟内存空间和其余资源都是经过这个容器对象管理的。
资源被进一步抽象为端口。
所以资源的共享实际上至关于容许对对应端口进行访问。

每个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;        /* 任务尚未终止 */
    boolean_t halting;       /* 任务被中止 */
    
    ...
    ...
    
    /* 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 */
    
    ...
    ...
    
    //每一个任务都有本身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

就自己而言，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.任务的操做

大部分针对任务的操做实际上就是遍历给定任务中的全部线程，并对这些线程进行对应的线程操做。

4.帐本

定义

帐本（ledger）是Mach任务的配额记帐和设置限制所须要的机制。
资源（通常指CPU资源和内存资源）能够在帐本间转移。

3、任务和线程相关的API

1.获取当前的任务和线程

在任什么时候刻，内核都必须可以得到当前任务和当前线程的句柄。
内核分别经过：

• 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()

4、任务相关的API

Mach提供了完整的一套用于操做任务的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为父任务建立一个child_task。

5、线程相关的API

相似任务相关的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的功能相似。
实际上，任务API一般的实现方法就是遍历任务中的线程列表，而后对每一个线程执行对应的操做。
这些调用大部分都是经过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，这里暂时不作展开。

2.线程建立

咱们特别关注一下线程建立的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任务中建立一个线程，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任务中建立一个线程，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，这个参数表示建立线程的任务。
从Mach的角度看，线程能够建立在任何任务中，只要用户具备任务对应的端口便可。

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：

建立一个线程并不困难，可是要让线程作有意义的事情则不是那么容易了。这一内容将在后面讨论。