CN117093355B - 一种进程内伪线程调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种进程内伪线程调度方法，利用伪线程替代线程作为程序执行流的最小单元，伪线程包括伪线程控制模块和伪线程调度模块；伪线程控制模块包括伪线程控制信息和伪线程队列集，用以为伪线程的创建和删除提供接口；伪线程调度模块用以负责伪线程的调度执行。有益效果：采用的伪线程不存在并发执行，伪线程间通信可以采用完全无锁化的设计，极大的简化了程序设计的复杂度且提升了程序的性能，同时伪线程执行不需要上下文切换，减少了系统资源的消耗，优化了程序的性能。伪线程特别适用于单处理器内运行，且存在大量定时器处理、事件处理、网络I/O处理等的程序软件进程内使用，将极大的简化这类软件的程序设计复杂度并提高软件的整体性能。
Description
技术领域
本发明属于计算机软件领域，尤其是涉及一种进程内伪线程调度方法。
背景技术
进程和线程是计算机系统中的两个重要概念，它们是计算机操作的基础。进程是计算机系统中分配资源的基本单位，它是程序执行的过程，每个进程都有自己的指令指针（PC）、堆栈和寄存器等。线程是进程中的一个执行单元，它是进程中的一条执行路径，每个线程都有自己的指令指针和堆栈等。由于线程共享进程的内存空间和资源，因此线程间的通信和同步变得更加容易和高效。同时，由于每个线程相当于一个轻量级进程，因此多线程可以并发执行，从而提高了程序的执行效率。
只有单线程的进程中，程序内所有的执行单元只能按串行的方式顺序运行，当进程内存在需要并行运行或者非顺序化运行的执行单元时，就需要使用多线程。但是标准传统的多线程存在以下问题：（1）线程共享进程的内存资源且存在并发执行的可能，线程间通信需要使用精心设计的同步机制（如自旋锁、读写锁、信号量等），这将提高程序的设计的复杂度且一定程度降低程序的性能；（2）线程并发执行需要上下文切换，需要消耗系统资源影响性能。因此当进程内的多线程需要大量线程间通信，但对于多核并发执行需求较少时，使用传统的多线程就存在较多限制。例如典型的网络协议软件，程序内可能存在大量的事件处理线程、定时器处理线程、报文收发相关的I/O处理线程，且多线程之间存在较多的通信需求，使用传统的多线程时，多线程间的同步设计会非常复杂。特别当网络协议软件是在单核场景下运行时，传统多线程并发执行将带来频繁的上下文切换，浪费系统资源。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种进程内伪线程调度方法，以至少解决背景技术中的至少一个问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种进程内伪线程调度方法，利用伪线程替代线程作为程序执行流的最小单元，伪线程包括伪线程控制模块和伪线程调度模块；
伪线程控制模块包括伪线程控制信息和伪线程队列集，用以为伪线程的创建和删除提供接口；
伪线程调度模块用以负责伪线程的调度执行。
进一步的，伪线程控制信息包括伪线程的类别，具体包括：
事件线程，用以表示需要调度器尽快执行的高优先级线程；
定时器线程，用以表示需要调度器在指定时间超时后执行的线程；
读I/O操作线程，用以表示在文件描述符上有读事件时需要调度执行的线程；
写I/O操作线程，用以表示在文件描述符上有写事件时需要调度器执行的线程；
后台处理线程，用以表示在系统空闲时需要调度器执行的低优先级线程。
进一步的，伪线程控制信息包括伪线程执行函数、伪线程调度器指针、伪线程的I/O文件描述符信息；
其中：
伪线程执行函数表示伪线程被调度后需要执行的操作函数；
伪线程调度器指针为指向伪线程的调度器的指针；
伪线程的I/O文件描述符信息为伪线程要执行I/O读写操作时的输入参数。
进一步的，伪线程队列集包括就绪队列集和后备队列集，队列集中所有队列采用双向链表的方式链接在一起；
其中，就绪队列集包括读挂起队列、高优先级队列、中优先级队列、低优先级队列；后备队列集包括定时器队列、I/O读队列、I/O写队列、事件队列、低优先级事件队列、未使用队列。
进一步的，伪线程的创建方法包括：
A1、判断未使用队列中是否有线程，如果有则回收一个未使用的伪线程，否则创建一个新的伪线程；
A2、判断伪线程的类别，执行对应操作。
进一步的，伪线程的删除方法包括：
判断是否进行强制删除，如果是则将线程从对应队列集中出队，然后将线程加入未使用队列，否则待线程操作函数执行完毕，将线程加入未使用队列。
进一步的，伪线程的调度方法包括：就绪队列调度处理和后备队列集处理调度处理；
其中就绪队列调度基于优先级调度算法，每次调度都按照读挂起队列、高优先级队列、中优先级队列、低优先级队列的顺序进行，只有优先级高的队列调度为空后，才调度优先级更低的队列；
就绪队列集调度处理每次至多有一个伪线程被调用，该伪线程的执行函数将被调用执行；
就绪队列集调度处理完成后，将进入后备队列调度处理和就绪队列装填阶段，包括：
遍历事件队列，将队列中所有线程出队，然后将线程加入高优先级队列；
获取当前时间，遍历所有定时器队列，将所有已经超时线程从相应定时器队列出队，然后将线程加入中优先级队列；
以非阻塞的方式遍历所有的读写文件描述符；将存在读写数据线程从I/O读队列或I/O写队列中出队，然后将线程加入中优先级队列；
遍历低优先级事件队列，将队列中线程出队，然后加入低优先级队列；
最后，主线程开始进行新一轮的调度。
进一步的，本方案公开了一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，所述处理器用于执行一种进程内伪线程调度方法。
进一步的，本方案公开了一种服务器，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述至少一个处理器执行一种进程内伪线程调度方法。
进一步的，本方案公开了一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种进程内伪线程调度方法。
相对于现有技术，本发明所述的一种进程内伪线程调度方法具有以下有益效果：
（1）本发明所述的一种进程内伪线程调度方法，采用的伪线程不存在并发执行，伪线程间通信可以采用完全无锁化的设计，极大的简化了程序设计的复杂度且提升了程序的性能；
（2）本发明所述的一种进程内伪线程调度方法，采用的伪线程执行不需要上下文切换，减少了系统资源的消耗，优化了程序的性能。伪线程特别适用于单处理器内运行，且存在大量定时器处理、事件处理、网络I/O处理等的程序软件进程内使用，将极大的简化这类软件的程序设计复杂度并提高软件的整体性能。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的伪线程创建流程示意图；
图2为本发明实施例所述的伪线程删除流程示意图；
图3为本发明实施例所述的伪线程调度流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
伪线程是程序进程中，程序执行流的最小单元。伪线程完全在进程空间内创建，在进程上下文内完成伪线程的调度，不需要系统的分配释放及调度，没有线程上下文切换开销。伪线程是一种将进程内离散的执行流单元进行优先级排序调度的机制，例如：socket套接字读写，等待定时器，处理进程内各种状态机事件等。伪线程实现不依赖于具体操作系统或者平台，可以方便的在不同平台或操作系统上进行移植。
伪线程主要由伪线程控制模块和伪线程调度模块组成。其中伪线程控制模块主要包括伪线程控制信息和伪线程队列集，为伪线程创建和删除等管理等提供接口；伪线程调度模块主要负责伪线程的调度执行，是伪线程的核心模块。
伪线程控制模块中的伪线程控制信息包括伪线程的类别、伪线程执行函数、伪线程调度器指针、伪线程的I/O文件描述符信息和其他全局信息等。伪线程的类别分为：（1）事件线程，表示一个需要调度器尽快执行的高优先级线程；（2）定时器线程，表示需要调度器在指定时间超时后执行的线程；（3）读I/O操作线程，表示在文件描述符上有读事件时需要调度执行的线程；（4）写I/O操作线程，表示在文件描述符上有写事件时需要调度器执行的线程；（5）后台处理线程，表示在系统空闲时需要调度器执行的低优先级线程。伪线程执行函数表示伪线程被调度后，需要执行的操作函数。伪线程调度器指针为指向伪线程的调度器的指针。伪线程的I/O文件描述符信息为伪线程要执行I/O读写操作时的输入参数。
伪线程的队列集主要分为两类：就绪队列集和后备队列集，队列集中所有队列都是采用双向链表的方式链接在一起。其中就绪队列集包括：读挂起队列、高优先级队列、中优先级队列、低优先级队列。后备队列集包括：4个定时器队列、I/O读队列、I/O写队列、事件队列、低优先级事件队列、未使用队列。
如图1所示，为伪线程的创建流程。
如图2所示，为伪线程的删除流程。
伪线程调度器由主线程进行调度执行，下面将结合图3说明伪线程的调度方法和流程。伪线程的调度分为两个阶段：（1）就绪队列调度处理；（2）后备队列集处理调度处理。
就绪队列调度基于优先级调度算法，每次调度都按照读挂起队列、高优先级队列、中优先级队列、低优先级队列的顺序进行，只有优先级高的队列调度为空后，才调度优先级更低的队列。就绪队列集调度处理每次至多有一个伪线程被调用，该伪线程的执行函数将被调用执行。就绪队列集调度处理完成后，将进入后备队列调度处理和就绪队列装填阶段，该阶段主要包括四步：（1）遍历事件队列，将队列中所有线程出队，然后将线程加入高优先级队列；（2）获取当前时间，遍历所有定时器队列，将所有已经超时线程从相应定时器队列出队，然后将线程加入中优先级队列；（3）以非阻塞的方式遍历所有的读写文件描述符；将存在读写数据线程从I/O读队列或I/O写队列中出队，然后将线程加入中优先级队列；（4）遍历低优先级事件队列，将队列中线程出队，然后加入低优先级队列。最后，主线程开始进行新一轮的调度。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种进程内伪线程调度方法，其特征在于：利用伪线程替代线程作为程序执行流的最小单元，伪线程包括伪线程控制模块和伪线程调度模块；
伪线程控制模块包括伪线程控制信息和伪线程队列集，用以为伪线程的创建和删除提供接口；
伪线程调度模块用以负责伪线程的调度执行；
伪线程控制信息包括伪线程的类别，具体包括：
事件线程，用以表示需要调度器尽快执行的高优先级线程；
定时器线程，用以表示需要调度器在指定时间超时后执行的线程；
读I/O操作线程，用以表示在文件描述符上有读事件时需要调度执行的线程；
写I/O操作线程，用以表示在文件描述符上有写事件时需要调度器执行的线程；
后台处理线程，用以表示在系统空闲时需要调度器执行的低优先级线程；
伪线程队列集包括就绪队列集和后备队列集，队列集中所有队列采用双向链表的方式链接在一起；
其中，就绪队列集包括读挂起队列、高优先级队列、中优先级队列、低优先级队列；后备队列集包括定时器队列、I/O读队列、I/O写队列、事件队列、低优先级事件队列、未使用队列；
伪线程的调度方法包括：就绪队列调度处理和后备队列集处理调度处理；
其中就绪队列调度基于优先级调度算法，每次调度都按照读挂起队列、高优先级队列、中优先级队列、低优先级队列的顺序进行，只有优先级高的队列调度为空后，才调度优先级更低的队列；
就绪队列集调度处理每次至多有一个伪线程被调用，该伪线程的执行函数将被调用执行；
就绪队列集调度处理完成后，将进入后备队列调度处理和就绪队列装填阶段，包括：
遍历事件队列，将队列中所有线程出队，然后将线程加入高优先级队列；
获取当前时间，遍历所有定时器队列，将所有已经超时线程从相应定时器队列出队，然后将线程加入中优先级队列；
以非阻塞的方式遍历所有的读写文件描述符；将存在读写数据线程从I/O读队列或I/O写队列中出队，然后将线程加入中优先级队列；
遍历低优先级事件队列，将队列中线程出队，然后加入低优先级队列；
最后，主线程开始进行新一轮的调度。
2.根据权利要求1所述的一种进程内伪线程调度方法，其特征在于：伪线程控制信息包括伪线程执行函数、伪线程调度器指针、伪线程的I/O文件描述符信息；
其中：
伪线程执行函数表示伪线程被调度后需要执行的操作函数；
伪线程调度器指针为指向伪线程的调度器的指针；
伪线程的I/O文件描述符信息为伪线程要执行I/O读写操作时的输入参数。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种进程内伪线程调度方法，其特征在于，伪线程的创建方法包括：
A1、判断未使用队列中是否有线程，如果有则回收一个未使用的伪线程，否则创建一个新的伪线程；
A2、判断伪线程的类别，执行对应操作。
4.根据权利要求1-2任一所述的一种进程内伪线程调度方法，其特征在于，伪线程的删除方法包括：
判断是否进行强制删除，如果是则将线程从对应队列集中出队，然后将线程加入未使用队列，否则待线程操作函数执行完毕，将线程加入未使用队列。
5.一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，其特征在于：所述处理器用于执行上述权利要求1-4任一所述的一种进程内伪线程调度方法。
6.一种服务器，其特征在于：包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如权利要求1-4任一所述的一种进程内伪线程调度方法。
7.一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4任一项所述的一种进程内伪线程调度方法。
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