探究Linux中的非实时线程 (linux 非实时线程)

Linux系统在操作系统领域享有盛名，其快速、稳定、可靠性和安全性都得到了广泛的认可和应用，使其成为大多数企业和机构首选的操作系统。Linux支持实时和非实时线程，其中实时线程具有固定的优先级，并且允许硬件I/O操作来满足特定的时间限制。相比之下，非实时线程的优先级是动态调整的，其目的是尽量满足相应的响应时间而非特定时间限制。本文将探讨Linux中的非实时线程，重点关注其功能、性能和应用。

Linux中的线程模型

Linux中的线程模型，如同大多数现代操作系统一样，采用了两种线程实现方式：基于内核的线程和基于用户空间的线程。

基于内核的线程

在Linux系统中，基于内核的线程实现方式是线程库使用调用内核线程API和系统调用来创建和管理线程。由于线程管理是由操作系统负责完成的，因此这种内核线程的实现方式通常比较耗费系统资源。当应用程序需要创建一个线程时，它会向内核发出创建线程的请求，内核会在自己的上下文环境中创建新的线程。这一方式使得线程间的切换相对比较快速，并且允许操作系统决定不同线程之间的优先级。

基于用户空间的线程

相比之下，基于用户空间的线程实现方式需要在用户空间中实现线程切换和管理，减少了内核的参与。由于线程管理是在应用程序级别完成的，因此线程管理开销较小，但是不能使用操作系统的调度器。通常这种线程实现方式使用一种称为“协作式多任务处理模型”的技术，即每个线程负责控制自己和其他线程的切换，而不是时刻切换线程。

Linux中的非实时线程

Linux通过POSIX线程实现规范，借鉴Unix线程模型实现了线程管理。现代Linux应用程序通常使用POSIX线程API，以便在应用程序中创建和管理线程。在Linux系统中，有两种线程类型：实时线程和非实时线程。实时线程具有固定的优先级，能够硬件I/O操作以满足特定的时间限制。而非实时线程具有动态的优先级，其目的是尽量满足相应的响应时间，而不是特定时间限制。

特征

在Linux中，非实时线程被定义为没有时间限制的线程，其响应时间是在运行时动态地调整的。不同于实时线程，非实时线程的优先级并没有预设的值，而是由系统根据线程的任务和执行时在任务中的位置来自动调整优先级。非实时线程的响应时间通常比实时线程的响应时间慢，因为其调度算法比实时线程的调度算法更复杂。

调度算法

在Linux中，非实时线程使用的是“完全公平调度器”（CFS）算法，它采用了红黑树数据结构来维护线程，使其具有可扩展性和高效性。CFS算法具有更先进的调度技术，将CPU时间分配给每个进程或线程，直到它达到其更大时间界限。该算法使用基于虚拟运行时间（vruntime）的调度策略，即要考虑任务占用CPU的时间以及当前运行上下文和其他任务的状态。CFS调度算法对于巨大的应用程序，即使具有数百个线程和CPU核数也能很好地扩展。这种线程调度算法使用的线程优先级是在基于虚拟运行时间的动态优先级下执行的，这使得非实时线程的响应时间能够保持一个较高的水平。

应用场景

非实时线程通常在低延迟应用程序中使用，例如视频和音频流媒体应用程序、图像处理应用程序、Web服务器、邮件服务器等。由于非实时线程的响应时间更加动态，因此它们能够调整自己的优先级以更好地满足实时需求，从而成功地处理复杂的I/O请求。另外，非实时线程通常比实时线程更适用于长时间运行的异步I/O操作和常规计算，因为它的调度策略更加灵活，能够更好地适应系统的负载变化。

结论

Linux中的非实时线程类型具有动态的优先级，能够更好地适应系统的负载变化和优化响应时间。与实时线程相比，非实时线程优先级的动态调整使其响应时间通常要慢一些。但是，在低延迟应用程序中，非实时线程比实时线程更加适用，并且能够更好地处理复杂的I/O请求。在整体Linux系统中，非实时线程的灵活性和响应时间优化能带来更好的应用程序性能和更好的用户体验。