一、為什么要學(xué)習(xí)Bionic
Bionic庫(kù)是Android的基礎(chǔ)庫(kù)之一，也是連接Android系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)內(nèi)核的橋梁，Bionic中包含了很多基本的功能模塊，這些功能模塊基本上都是源于Linux，但是就像青出于藍(lán)而勝于藍(lán)，它和Linux還是有一些不一樣的的地方。同時(shí)，為了更好的服務(wù)Android，Bionic中也增加了一些新的模塊，由于本次的主題是Androdi的跨進(jìn)程通信，所以了解Bionic對(duì)我們更好的學(xué)習(xí)Android的跨進(jìn)行通信還是很有幫助的。
Android除了使用ARM版本的內(nèi)核外和傳統(tǒng)的x86有所不同，谷歌還自己開發(fā)了Bionic庫(kù)，那么谷歌為什么要這樣做那?
二、谷歌為什么使用Bionic庫(kù)
谷歌使用Bionic庫(kù)主要因?yàn)橐韵氯c(diǎn):
- 1、谷歌沒有使用Linux的GUN Libc，很大一部分原因是因?yàn)镚NU Libc的授權(quán)方式是GPL 授權(quán)協(xié)議有限制，因?yàn)橐坏┸浖惺褂昧薌PL的授權(quán)協(xié)議，該系統(tǒng)所有代碼必須開元。
- 2、谷歌在BSD的C庫(kù)的基礎(chǔ)上加入了一些Linux特性從而生成了Bionic。Bionic名字的來(lái)源就是BSD和Linux的混合。而且不受限制的開源方式，所以在現(xiàn)代的商業(yè)公司中比較受歡迎。
- 3、還有就是因?yàn)樾阅艿脑颍驗(yàn)锽ionic的核心設(shè)計(jì)思想就是"簡(jiǎn)單"，所以Bionic中去掉了很多高級(jí)功能。這樣Bionic庫(kù)僅為200K左右，是GNU版本體積的一半，這意味著更高的效率和低內(nèi)存的使用，同時(shí)配合經(jīng)過優(yōu)化的Java VM Dalvik才可以保證高的性能。
三、Bionic庫(kù)簡(jiǎn)介
Bionic 音標(biāo)為 bī??nik，翻譯為"仿生"
Bionic包含了系統(tǒng)中最基本的lib庫(kù)，包括libc，libm，libdl，libstd++，libthread_db，以及Android特有的鏈接器linker。
四、Bionic庫(kù)的特性
Bionic庫(kù)的特性很多，受篇幅限制，我挑幾個(gè)和大家平時(shí)接觸到的說下
(一)、架構(gòu)
Bionic 當(dāng)前支持ARM、x86和MIPS執(zhí)行集，理論上可以支持更多，但是需要做些工作，ARM相關(guān)的代碼在目錄arch-arm中，x86相關(guān)代碼在arch-x86中，mips相關(guān)的代碼在arch-mips中。
(二)、Linux核心頭文件
Bionic自帶一套經(jīng)過清理的Linxu內(nèi)核頭文件，允許用戶控件代碼使用內(nèi)核特有的聲明(如iotcls，常量等)這些頭文件位于目錄：
bionic/libc/kernel/common
bionic/libc/kernel/arch-arm
bionic/libc/kernel/arch-x86
bionic/libc/kernel/arch-mips
(三)、DNS解析器
雖然Bionic 使用NetBSD-derived解析庫(kù)，但是它也做了一些修改。
- 1、不實(shí)現(xiàn)name-server-switch特性
- 2、讀取/system/etc/resolv.conf而不是/etc/resolv.config
- 3、從系統(tǒng)屬性中讀取服務(wù)器地址列表，代碼中會(huì)查找'net.dns1'，'net.dns2'，等屬性。每個(gè)屬性都應(yīng)該包含一個(gè)DNS服務(wù)器的IP地址。這些屬性能被Android系統(tǒng)的其它進(jìn)程修改設(shè)置。在實(shí)現(xiàn)上，也支持進(jìn)程單獨(dú)的DNS服務(wù)器列表，使用屬性'net.dns1.<pid>'、'net.dns2.<pid>'等，這里<pid> 表示當(dāng)前進(jìn)程的ID號(hào)。
- 4、在執(zhí)行查詢時(shí)，使用一個(gè)合適的隨機(jī)ID(而不是每次+1)，以提升安全性。
- 5、在執(zhí)行查詢時(shí)，給本地客戶socket綁定一個(gè)隨機(jī)端口號(hào)，以提高安全性。
- 6、刪除了一些源代碼，這些源代碼會(huì)造成了很多線程安全的問題
(四)、二進(jìn)制兼容性
由于Bionic不與GNU C庫(kù)、ucLibc，或者任何已知的Linux C相兼容。所以意味著不要期望使用GNU C庫(kù)頭文件編譯出來(lái)的模塊能夠正常地動(dòng)態(tài)鏈接到Bionic
(五)、Android特性
Bionict提供了少部分Android特有的功能
1、訪問系統(tǒng)特性
Android 提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的"共享鍵/值 對(duì)" 空間給系統(tǒng)中的所有進(jìn)程，用來(lái)存儲(chǔ)一定數(shù)量的"屬性"。每個(gè)屬性由一個(gè)限制長(zhǎng)度的字符串"鍵"和一個(gè)限制長(zhǎng)度的字符串"值"組成。
頭文件<sys/system_properties.h>中定義了讀系統(tǒng)屬性的函數(shù)，也定義了鍵/值對(duì)的最大長(zhǎng)度。
2、Android用戶/組管理
在Android中沒有etc/password和etc/groups 文件。Android使用擴(kuò)展的Linux用戶/組管理特性，以確保進(jìn)程根據(jù)權(quán)限來(lái)對(duì)不同的文件系統(tǒng)目錄進(jìn)行訪問。
Android的策略是：
- 1、每個(gè)已經(jīng)安裝的的應(yīng)用程序都有自己的用戶ID和組ID。ID從10000（一萬(wàn)）開始，小于10000（一萬(wàn)）的ID留給系統(tǒng)的守護(hù)進(jìn)程。
- 2、tpwnam()能識(shí)別一些硬編碼的子進(jìn)程名(如"radio")，能將他們翻譯為用戶id值，它也能識(shí)別"app_1234"，這樣的組合名字，知道將后面的1234和10000(一萬(wàn))相加，得到的ID值為11234.getgrname()也類似。
- 3、getservent() Android中沒有/etc/service，C庫(kù)在執(zhí)行文件中嵌入只讀的服務(wù)列表作為代替，這個(gè)列表被需要它的函數(shù)所解析。所見文件bionic/libc/netbsd/net/getservent.c和bionic/libc/netbsd/net/service.h。
這個(gè)內(nèi)部定義的服務(wù)列表，未來(lái)可能有變化，這個(gè)功能是遺留的，實(shí)際很少使用。getservent()返回的是本地?cái)?shù)據(jù)，getservbyport()和getservbyname()也按照同樣的方式實(shí)現(xiàn)。- 4、getprotoent() 在Android中沒有/etc/protocel，Bionic目前沒有實(shí)現(xiàn)getprotocent()和相關(guān)函數(shù)。如果增加的話，很可能會(huì)以getervent()相同的方式。
五、Bionic庫(kù)的模塊簡(jiǎn)介
Bionic目錄下一共有5個(gè)庫(kù)和一個(gè)linker程序
5個(gè)庫(kù)分別是:
- 1、libc
- 2、libm
- 3、libdl
- 4、libstd++
- 5、libthread_db
(一)、Libc庫(kù)
Libc是C語(yǔ)言最基礎(chǔ)的庫(kù)文件，它提供了所有系統(tǒng)的基本功能，這些功能主要是對(duì)系統(tǒng)調(diào)用的封裝，Libc是應(yīng)用和Linux內(nèi)核交流的橋梁，主要功能如下：
- 進(jìn)程管理：包括進(jìn)程的創(chuàng)建、調(diào)度策略和優(yōu)先級(jí)的調(diào)整
- 線程管理：包括線程的創(chuàng)建和銷毀，線程的同步/互斥等
- 內(nèi)存管理：包括內(nèi)存分配和釋放等
- 時(shí)間管理：包括獲取和保存系統(tǒng)時(shí)間、獲取當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)等
- 時(shí)區(qū)管理：包括時(shí)區(qū)的設(shè)置和調(diào)整等
- 定時(shí)器管理：提供系統(tǒng)的定時(shí)服務(wù)
- 文件系統(tǒng)管理：提供文件系統(tǒng)的掛載和移除功能
- 文件管理：包括文件和目錄的創(chuàng)建增刪改
- 網(wǎng)絡(luò)套接字：創(chuàng)建和監(jiān)聽socket，發(fā)送和接受
- DNS解析：幫助解析網(wǎng)絡(luò)地址
- 信號(hào)：用于進(jìn)程間通信
- 環(huán)境變量：設(shè)置和獲取系統(tǒng)的環(huán)境變量
- Android Log：提供和Android Log驅(qū)動(dòng)進(jìn)行交互的功能
- Android 屬性：管理一個(gè)共享區(qū)域來(lái)設(shè)置和讀取Android的屬性
- 標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出：提供格式化的輸入/輸出
- 字符串：提供字符串的移動(dòng)、復(fù)制和比較等功能
- 寬字符：提供對(duì)寬字符的支持。
(二)、Libm庫(kù)
Libm 是數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)，提供了常見的數(shù)學(xué)函數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算功能，但是Android浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)通過軟件實(shí)現(xiàn)的，運(yùn)行速度慢，不建議頻繁使用。
(三)、libdl庫(kù)
libdl庫(kù)原本是用于動(dòng)態(tài)庫(kù)的裝載。很多函數(shù)實(shí)現(xiàn)都是空殼，應(yīng)用進(jìn)程使用的一些函數(shù)，實(shí)際上是在linker模塊中實(shí)現(xiàn)。
(四)、libstd++庫(kù)
libstd++ 是標(biāo)準(zhǔn)的C++的功能庫(kù)，但是，Android的實(shí)現(xiàn)是非常簡(jiǎn)單的，只是new，delete等少數(shù)幾個(gè)操作符的實(shí)現(xiàn)。
(五)、libthread_db庫(kù)
libthread_db 用來(lái)支持對(duì)多線程中動(dòng)態(tài)庫(kù)的調(diào)試。
(六)、Linker模塊
Linux系統(tǒng)上其實(shí)有兩種并不完全相同的可執(zhí)行文件
- 一種是靜態(tài)鏈接的可執(zhí)行程序。靜態(tài)可執(zhí)行程序包含了運(yùn)行需要的所有函數(shù)，可以不依賴任何外部庫(kù)來(lái)運(yùn)行。
- 另一種是動(dòng)態(tài)鏈接的可執(zhí)行程序。動(dòng)態(tài)鏈接的可執(zhí)行程序因?yàn)闆]有包含所需的庫(kù)文件，因此相對(duì)于要小很多。
靜態(tài)可執(zhí)行程序用在一些特殊場(chǎng)合，例如，系統(tǒng)初始化時(shí)，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)還沒有準(zhǔn)備好，動(dòng)態(tài)鏈接的程序還無(wú)法使用。系統(tǒng)的啟動(dòng)程序Init就是一個(gè)靜態(tài)鏈接的例子。在Android中，會(huì)給程序自動(dòng)加上兩個(gè)".o"文件，分別是"crtbegin_static.c"和"certtend_android.o"，這兩個(gè)".o"文件對(duì)應(yīng)的源文件位于bionic/libc/arch-common/bionic目錄下，文件分別是crtbegin.c和certtend.S。_start()函數(shù)就位于cerbegin.c中。
在動(dòng)態(tài)鏈接時(shí)，execuve()函數(shù)會(huì)分析可執(zhí)行文件的文件頭來(lái)尋找鏈接器，Linux文件就是ld.so，而Android則是Linker。execuve()函數(shù)將會(huì)將Linker載入到可執(zhí)行文件的空間，然后執(zhí)行Linker的_start()函數(shù)。Linker完成動(dòng)態(tài)庫(kù)的裝載和符號(hào)重定位后再去運(yùn)行真正的可執(zhí)行文件的代碼。
六、Bionic庫(kù)的內(nèi)存管理函數(shù)
(一)內(nèi)存管理函數(shù)
對(duì)于32位的操作系統(tǒng)，能使用的最大地址空間是4GB，其中地址空間3GB分配給用戶進(jìn)程使用，但是用戶進(jìn)程并不是在啟動(dòng)時(shí)就獲取了所有的0~3GB地址空間的訪問權(quán)利，而是需要事先向內(nèi)核申請(qǐng)對(duì)模塊地址空間的讀寫權(quán)利。而且申請(qǐng)的只是地址空間而已，此時(shí)并沒有分配真正的物理地址。只有當(dāng)進(jìn)程訪問某個(gè)地址時(shí)，如果該地址對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)面不存在，則由內(nèi)核產(chǎn)生缺頁(yè)中斷，在中斷中才會(huì)分配物理內(nèi)存并建立頁(yè)表。如果用戶進(jìn)程不需要某塊空間了，可以通過內(nèi)核釋放掉它們，對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存也釋放掉。
但是由于缺頁(yè)中斷會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行緩慢，如果頻繁的地由內(nèi)核來(lái)分配和釋放內(nèi)存將會(huì)降低整個(gè)體統(tǒng)的性能，因此，一般操作系統(tǒng)都會(huì)在用戶進(jìn)程中提供地址空間的分配和回收機(jī)制。用戶進(jìn)程中的內(nèi)存管理會(huì)預(yù)先向內(nèi)核申請(qǐng)一塊大的地址空間，稱為堆。當(dāng)用戶進(jìn)程需要分配內(nèi)存時(shí)，由內(nèi)存管理器從堆中尋找一塊空閑的內(nèi)存分配給用戶進(jìn)程使用。當(dāng)用戶進(jìn)程釋放某塊內(nèi)存時(shí)，內(nèi)存管理器并不會(huì)立刻將它們交給內(nèi)核釋放，而是放入空閑列表中，留待下次分配使用。
內(nèi)存管理器會(huì)動(dòng)態(tài)的調(diào)整堆的大小，如果堆的空間使用完了，內(nèi)存管理器會(huì)向堆內(nèi)存申請(qǐng)更多的地址空間，如果堆中空閑太多，內(nèi)存管理器也會(huì)將一部分空間返給內(nèi)核。
(二) Bionic的內(nèi)存管理器——dlmalloc
dlmalloc是一個(gè)十分流行的內(nèi)存分配器。dlmalloc位于bionic/libc/upstream-dlmalloc下，只有一個(gè)C文件malloc.c。由于本次主題是跨進(jìn)程通信，后續(xù)有時(shí)間就Android的內(nèi)存回收單獨(dú)作為一個(gè)課題去講解，今天就不詳細(xì)說了，就簡(jiǎn)單的說下原理。
dlmalloc的原理:
- dlmalloc內(nèi)部是以鏈表的形式將"堆"的空閑空間根據(jù)尺寸組織在一起。分配內(nèi)存時(shí)通過這些鏈表能快速地找到合適大小的空閑內(nèi)存。如果不能找到滿足要求的空閑內(nèi)存，dlmalloc會(huì)使用系統(tǒng)調(diào)用來(lái)擴(kuò)大堆空間。
- dlmalloc內(nèi)存塊被稱為"trunk"。每塊大小要求按地址對(duì)齊(默認(rèn)8個(gè)字節(jié))，因此，trunk塊的大小必須為8的倍數(shù)。
- dlmalloc用3種不同的的鏈表結(jié)構(gòu)來(lái)組織不同大小的空閑內(nèi)存塊。小于256字節(jié)的塊使用malloc_chunk結(jié)構(gòu)，按照大小組織在一起。由于尺寸小于的塊一共有256/8=32，所以一共使用了32個(gè)malloc_chunk結(jié)構(gòu)的環(huán)形鏈表來(lái)組織小于256的塊。大小大于256字節(jié)的塊由結(jié)構(gòu)malloc_tree_chunk組成鏈表管理，這些塊根據(jù)大小組成二叉樹。而更大的尺寸則由系統(tǒng)通過mmap的方式單獨(dú)分配一塊空間，并通過malloc_segment組成的鏈表進(jìn)行管理
- 當(dāng)dlmalloc分配內(nèi)存時(shí)，會(huì)通過查找這些鏈表來(lái)快速找到一塊和要求的尺寸大小最匹配的空閑內(nèi)存塊(這樣做事為了盡量避免內(nèi)存碎片)。如果沒有合適大小的塊，則將一塊大的分成兩塊，一塊分配出去，另一塊根據(jù)大小再加入對(duì)應(yīng)的空閑鏈表中。
- 當(dāng)dlmalloc釋放內(nèi)存時(shí)，會(huì)將相鄰的空閑塊合并成一個(gè)大塊來(lái)減少內(nèi)存碎片。如果空閑塊過多，超過了dlmaloc內(nèi)存的閥值，dlmalloc就開始向系統(tǒng)返回內(nèi)存。
- dlmalloc除了能管理進(jìn)程的"堆"空間，還能提供私有堆管理，就是在堆外單獨(dú)分配一塊地址空間，由dlmalloc按照同樣的方式進(jìn)行管理。dlmalloc中用來(lái)管理進(jìn)程的"堆"空間的函數(shù)，都帶有"dl"前綴，如"dlmalloc"，"dlfree"等，而私有堆的管理函數(shù)則帶有前綴"msspace_"，如"msspace_malloc"
Dalvk虛擬機(jī)中使用了dlmalloc進(jìn)行私有堆管理。
七、線程
Bionic中的線程管理函數(shù)和通用的Linux版本的實(shí)現(xiàn)有很多差異，Android根據(jù)自己的需要做了很多裁剪工作。
(一)、Bionic線程函數(shù)的特性
1、pthread的實(shí)現(xiàn)基于Futext，同時(shí)盡量使用簡(jiǎn)單的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)通用操作，特征如下：
pthread_mutex_t，pthread_cond_t類型定義只有4字節(jié)。
- 支持normal,recursive and error-check 互斥量。考慮到通常大多數(shù)的時(shí)候都使用normal，對(duì)normal分支下代碼流程做了很細(xì)致的優(yōu)化
- 目前沒有支持讀寫鎖，互斥量的優(yōu)先級(jí)和其他高級(jí)特征。在Android還不需要這些特征，但是在未來(lái)可能會(huì)添加進(jìn)來(lái)。
2、Bionic不支持pthread_cancel()，因?yàn)榧尤胨鼤?huì)使得C庫(kù)文件明顯變大，不太值得，同時(shí)有以下幾點(diǎn)考慮
- 要正確實(shí)現(xiàn)pthread_cancel()，必須在C庫(kù)的很多地方插入對(duì)終止線程的檢測(cè)。
- 一個(gè)好的實(shí)現(xiàn)，必須清理資源，例如釋放內(nèi)存，解鎖互斥量，如果終止恰好發(fā)生在復(fù)雜的函數(shù)里面(比如gthosbyname())，這會(huì)使許多函數(shù)正常執(zhí)行也變慢。
- pthread_cancel()不能終止所有線程。比如無(wú)窮循環(huán)中的線程。
- pthread_cancel()本身也有缺點(diǎn)，不太容易移植。
- Bionic中實(shí)現(xiàn)了pthread_cleanup_push()和pthread_cleanup_pop()函數(shù)，在線程通過調(diào)用pthread_exit()退出或者從它的主函數(shù)中返回到時(shí)候，它們可以做些清理工作。
3、不要在pthread_once()的回調(diào)函數(shù)中調(diào)用fork()，這么做會(huì)導(dǎo)致下次調(diào)用pthread_once()的時(shí)候死鎖。而且不能在回調(diào)函數(shù)中拋出一個(gè)C++的異常。
4、不能使用_thread關(guān)鍵詞來(lái)定義線程本地存儲(chǔ)區(qū)。
(二)、創(chuàng)建線程和線程的屬性
1、創(chuàng)建線程
函數(shù)pthread_create()用來(lái)創(chuàng)建線程，原型是：
int pthread_create（（pthread_t *thread, pthread_attr_t *attr, void *（*start_routine）（void *）, void *arg）
其中，pthread_t在android中等同于long
typedef long pthread_t;
- 參數(shù)thread是一個(gè)指針，pthread_create函數(shù)成功后，會(huì)將代表線程的值寫入其指向的變量。
- 參數(shù) args 一般情況下為NULL，表示使用缺省屬性。
- 參數(shù)start_routine是線程的執(zhí)行函數(shù)
- 參數(shù)arg是傳入線程執(zhí)行函數(shù)的參數(shù)
若線程創(chuàng)建成功，則返回0，若線程創(chuàng)建失敗，則返回出錯(cuò)編號(hào)。
PS:要注意的是，pthread_create調(diào)用成功后線程已經(jīng)創(chuàng)建完成，但是不會(huì)立刻發(fā)生線程切換。除非調(diào)用線程主動(dòng)放棄執(zhí)行，否則只能等待線程調(diào)度。
2、線程的屬性
結(jié)構(gòu) pthread_atrr_t用來(lái)設(shè)置線程的一些屬性，定義如下：
typedef struct
{
uint32_t flags;
void * stack_base; //指定棧的起始地址
size_t stack_size; //指定棧的大小
size_t guard_size;
int32_t sched_policy; //線程的調(diào)度方式
int32_t sched_priority; //線程的優(yōu)先級(jí)
}
使用屬性時(shí)要先初始化，函數(shù)原型是：
int pthread_attr_init(pthread_attr_t* attr)
通過pthread_attr_init()函數(shù)設(shè)置的缺省屬性值如下：
int pthread_attr_init(pthread_attr_t* attr){
attr->flag=0;
attr->stack_base=null;
attr->stack_szie=DEFAULT_THREAD_STACK_SIZE; //缺省棧的尺寸是1MB
attr0->quard_size=PAGE_SIZE; //大小是4096
attr0->sched_policy=SCHED_NORMAL; //普通調(diào)度方式
attr0->sched_priority=0; //中等優(yōu)先級(jí)
return 0；
}
下面介紹每項(xiàng)屬性的含義。
- 1、flag 用來(lái)表示線程的分離狀態(tài)
Linux線程有兩種狀態(tài):分離(detch)狀態(tài)和非分離(joinable)狀態(tài)，如果線程是非分離狀態(tài)(joinable)狀態(tài)，當(dāng)線程函數(shù)退出時(shí)或者調(diào)用pthread_exit()時(shí)都不會(huì)釋放線程所占用的系統(tǒng)資源。只有當(dāng)調(diào)用了pthread_join()之后這些資源才會(huì)釋放。如果是分離(detach)狀態(tài)的線程，這些資源在線程函數(shù)退出時(shí)調(diào)用pthread_exit()時(shí)會(huì)自動(dòng)釋放- 2、stack_base: 線程棧的基地址
- 3、stack_size: 線程棧的大小。基地址和棧的大小。
- 4、guard_size: 線程的棧溢出保護(hù)區(qū)大小。
- 5、sched_policy：線程的調(diào)度方式。
線程一共有3種調(diào)度方式：SCHED_NORMAL，SCHED_FIFO，SCHED_RR。其中SCHED_NORMAL代表分時(shí)調(diào)度策略，SCHED_FIFO代表實(shí)時(shí)調(diào)度策略，先到先服務(wù)，一旦占用CPU則一直運(yùn)行，一直運(yùn)行到有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)到達(dá)，或者自己放棄。SCHED_RR代表實(shí)時(shí)調(diào)度策略:時(shí)間片輪轉(zhuǎn)，當(dāng)前進(jìn)程時(shí)間片用完，系統(tǒng)將重新分配時(shí)間片，并置于就緒隊(duì)尾- 6、sched_priority:線程的優(yōu)先級(jí)
Bionic雖然也實(shí)現(xiàn)了pthread_attr_setscope()函數(shù)，但是只支持PTHREAD_SCOP_SYSTEM屬性，也就意味著Android線程將在全系統(tǒng)的范圍內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)CPU資源。
3、退出線程的方法
(1)、調(diào)用pthread_exit函數(shù)退出
一般情況下，線程運(yùn)行函數(shù)結(jié)束時(shí)線程才退出。但是如果需要，也可以在線程運(yùn)行函數(shù)中調(diào)用pthread_exit()函數(shù)來(lái)主動(dòng)退出線程運(yùn)行。函數(shù)原型如下：
void pthread_exit( void * retval) ;
其中參數(shù)retval用來(lái)設(shè)置返回值
(2)、設(shè)置布爾的全局變量
但是如果希望在其它線程中結(jié)束某個(gè)線程？前面介紹了Android不支持pthread_cancel()函數(shù)，因此，不能在Android中使用這個(gè)函數(shù)來(lái)結(jié)束線程。通俗的方法是，如果線程在一個(gè)循環(huán)中不停的運(yùn)行，可以在每次循環(huán)中檢查一個(gè)初始值為false的全局變量，一旦這個(gè)變量的值為ture，則主動(dòng)退出，這樣其它線程就可以銅鼓改變這個(gè)全局變量的值來(lái)控制線程的退出，示例如下：
bool g_force_exit =false;
void * thread_func(void *){
for(;;){
if(g_force_exit){
break;
}
.....
}
return NULL;
}
int main(){
.....
q_force_exit=true； //青坡線程退出
}
這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單可靠，在編程中經(jīng)常使用。但它的缺點(diǎn)是：如果線程處于掛起等待狀態(tài)，這種方法就不適用了。
另外一種方式是使用pthread_kill()函數(shù)。pthread_kill()函數(shù)的作用不是"殺死"一個(gè)線程，而是給線程發(fā)送信號(hào)。函數(shù)如下：
int pthread_kill(pthread tid,int sig);
即使線程處于掛起狀態(tài)，也可以使用pthead_kill()函數(shù)來(lái)給線程發(fā)送消息并使得線程執(zhí)行處理函數(shù)，使用pthread_kill()函數(shù)的問題是：線程如果在信號(hào)處理函數(shù)中退出，不方便釋放在線程的運(yùn)行函數(shù)中分配的資源。
(3)、通過管道
更復(fù)雜的方法是：創(chuàng)建一個(gè)管道，在線程運(yùn)行函數(shù)中對(duì)管道"讀端"用select()或epoll()進(jìn)行監(jiān)聽，沒有數(shù)據(jù)則掛起線程，通過管道的"寫端"寫入數(shù)據(jù)，就能喚起線程，從而釋放資源，主動(dòng)退出。
4、線程的本地存儲(chǔ)TLS
線程本地存儲(chǔ)(TLS)用來(lái)保存、傳遞和線程有關(guān)的數(shù)據(jù)。例如在前面說道的使用pthread_kill()函數(shù)關(guān)閉線程的例子中，需要釋放的資源可以使用TLS傳遞給信號(hào)處理函數(shù)。
(1)、TLS介紹
TLS在線程實(shí)例中是全局可見的，對(duì)某個(gè)線程實(shí)例而言TLS是這個(gè)線程實(shí)例的私有全局變量。同一個(gè)線程運(yùn)行函數(shù)的不同運(yùn)行實(shí)例，他們的TLS是不同的。在這個(gè)點(diǎn)上TLS和線程的關(guān)系有點(diǎn)類似棧變量和函數(shù)的關(guān)系。棧變量在函數(shù)退出時(shí)會(huì)消失，TLS也會(huì)在線程結(jié)束時(shí)釋放。Android實(shí)現(xiàn)了TLS的方式是在線程棧的頂開辟了一塊區(qū)域來(lái)存放TLS項(xiàng)，當(dāng)然這塊區(qū)域不再受線程棧的控制。
TLS內(nèi)存區(qū)域按數(shù)組方式管理，每個(gè)數(shù)組元素稱為一個(gè)slot。Android 4.4中的TLS一共有128 slot，這和Posix中的要求一致(Android 4.2是64個(gè))
(2)、TLS注意事項(xiàng)
TLS變量的數(shù)量有限，使用前要申請(qǐng)一個(gè)key，這個(gè)key和內(nèi)部的slot關(guān)聯(lián)一起，使用完需要釋放。
申請(qǐng)一個(gè)key的函數(shù)原型：
int pthread_key_create(pthread_key_t *key，void (*destructor_function) (void *) );
pthread_key_create()函數(shù)成功返回0，參數(shù)key中是分配的slot，如果將來(lái)放入slot中的對(duì)象需要在線程結(jié)束的時(shí)候由系統(tǒng)釋放，則需要提供一個(gè)釋放函數(shù)，通過第二個(gè)函數(shù)destructor_function傳入。
釋放 TLS key的函數(shù)原型是：
int pthread_key_delete ( pthread_key_t) ;
pthread_key_delete()函數(shù)并不檢查當(dāng)前是否還有線程正在使用這個(gè)slot，也不會(huì)調(diào)用清理函數(shù)，只是將slot釋放以供下次調(diào)用pthread_key_create()使用。
利用TLS保存數(shù)據(jù)中函數(shù)原型：
int pthread_setspecific(pthread_key_t key，const void *value) ;
讀取TLS保存數(shù)據(jù)中的函數(shù)原型：
void * pthread_getsepcific (pthread_key_t key);
5、線程的互斥量(Mutex)函數(shù)
Linux線程提供了一組函數(shù)用于線程間的互斥訪問，Android中的Mutex類實(shí)質(zhì)上是對(duì)Linux互斥函數(shù)的封裝，互斥量可以理解為一把鎖，在進(jìn)入某個(gè)保護(hù)區(qū)域前要先檢查是否已經(jīng)上鎖了。如果沒有上鎖就可以進(jìn)入，否則就必須等待，進(jìn)入后先將鎖鎖上，這樣別的線程就無(wú)法再進(jìn)入了，退出保護(hù)區(qū)后要解鎖，其它線程才可以繼續(xù)使用.
(1)、Mutex在使用前需要初始化
初始化函數(shù)是:
int pthread_mutex_init(pthread_mutext_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
成功后函數(shù)返回0，metex被初始化成未鎖定的狀態(tài)。如果參數(shù)attr為NULL，則使用缺省的屬性MUTEX_TYPE-BITS_NORMAL。
互斥量的屬性主要有兩種，類型type和范圍scope，設(shè)置和獲取屬性的函數(shù)如下：
int pthread_mutexattr_settype (pthread_mutexattr_t * attr, type);
int pthread_mutexattr_gettype (const pthread_mutexattr_t * attr, int *type);
int pthread_mutexattr_getpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int *pshared );
int pthread_mutexattrattr_ setpshared (pthread_mutexattr_t *attr,int pshared);
互斥量Mutex的類型(type) 有3種
- PTHREAD_MUTEX_NORMAL:該類型的的互斥量不會(huì)檢測(cè)死鎖。如果線程沒有解鎖(unlock)互斥量的情況下再次鎖定該互斥量，會(huì)產(chǎn)生死鎖。如果線程嘗試解鎖由其他線程鎖定的互斥量會(huì)產(chǎn)生不確定的行為。如果嘗試解鎖未鎖定的互斥量，也會(huì)產(chǎn)生不確定的行為。** 這是Android目前唯一支持的類型 **。
- PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK:此類型的互斥量可提供錯(cuò)誤檢查。如果線程在沒有解鎖互斥量的情況下嘗試重新鎖定該互斥量，或者線程嘗試解鎖的互斥量由其他線程鎖定。** Android目前不支持這種類型 ** 。
- PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE。如果線程沒有解鎖互斥量的情況下重新鎖定該互斥量，可成功鎖定該互斥量，不會(huì)產(chǎn)生死鎖情況，但是多次鎖定該互斥量需要進(jìn)行相同次數(shù)的解鎖才能釋放鎖，然后其他線程才能獲取該互斥量。如果線程嘗試解鎖的互斥量已經(jīng)由其他線程鎖定，則會(huì)返回錯(cuò)誤。如果線程嘗試解鎖還未鎖定的互斥量，也會(huì)返回錯(cuò)誤。** Android目前不支持這種類型 **
互斥量Mutex的作用范圍(scope) 有2種
- PTHREAD_PROCESS_PRIVATE:互斥量的作用范圍是進(jìn)程內(nèi)，這是缺省屬性。
- PTHREAD_PROCESS_SHARED:互斥量可以用于進(jìn)程間線程的同步。Android文檔中說不支持這種屬性，但是實(shí)際上支持，在audiofliger和surfacefliger都有用到，只不過在持有鎖的進(jìn)程意外死亡的情況下，互斥量(Mutex)不能釋放掉，這是目前實(shí)現(xiàn)的一個(gè)缺陷。
6、線程的條件量(Condition)函數(shù)
(1)為什么需要條件量Condition函數(shù)
條件量Condition是為了解決一些更復(fù)雜的同步問題而設(shè)計(jì)的。考慮這樣的一種情況，A和B線程不但需要互斥訪問某個(gè)區(qū)域，而且線程A還必須等待線程B的運(yùn)行結(jié)果。如果僅使用互斥量進(jìn)行保護(hù)，在線程B先運(yùn)行的的情況下沒有問題。但是如果線程A先運(yùn)行，拿到互斥量的鎖，往下忘無(wú)法進(jìn)行。
條件量就是解決這類問題的。在使用條件量的情況下，如果線程A先運(yùn)行，得到鎖以后，可以使用條件量的等待函數(shù)解鎖并等待，這樣線程B得到了運(yùn)行的機(jī)會(huì)。線程B運(yùn)行完以后通過條件量的信號(hào)函數(shù)喚醒等待的線程A，這樣線程A的條件也滿足了，程序就能繼續(xù)執(zhí)行力額
(2)Condition函數(shù)
條件量在使用前需要先初始化，函數(shù)原型是：
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr *attr);
使用完需要銷毀，函數(shù)原型是：
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
條件量的屬性只有 "共享(share)" 一種，下面是屬性相關(guān)函數(shù)原型，下面是屬性相關(guān)的函數(shù)原型：
int pthread_condattr_init(pthread_condattr_t *attr);
int pthread_condattr_getpshared(pthread_condattr_t *attr,int *pshared);
int pthread_condattr_setpshared(pthread_condattr_t *attr,int pshared)
int pthread_condattr_destroy (pthread_condattr_t *__attr);
"共享(shared)" 屬性的值有兩種
- PTHREAD_PROCESS_PRIVATE：條件量的作用范圍是進(jìn)程內(nèi)，這是缺省的屬性。
- PTHREAD_PROCESS_SHARED：條件量可以用于進(jìn)程間線程同步。
條件量的等待函數(shù)的原型如下：
int pthread_cond_wait (pthread_cond_t *__restrict __cond,pthread_mutex_t *__restrict __mutex);
int pthread_cond_timedwait (pthread_cond_t *__restrict __cond,pthread_mutex_t *__restrict __mutex, __const struct timespec *__restrict __abstime);
條件量的等待函數(shù)會(huì)先解鎖互斥量，因此，使用前一定要確保mutex已經(jīng)上鎖。鎖上后線程將掛起。pthread_cond_timedwait()用在希望線程等待一段時(shí)間的情況下，如果時(shí)間到了線程就會(huì)恢復(fù)運(yùn)行。
使用函數(shù)pthread_cond_signal()來(lái)喚醒等待隊(duì)列中的一個(gè)線程，原型如下：
int pthread_cond_signal (pthread_cond_t *__cond);
也可以通過pthread_cond_broadcast()喚醒所有等待的線程
int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *__cond);
(三)、Futex同步機(jī)制
- Futex 是 fast userspace mutext的縮寫，意思是快速用戶控件互斥體。這里討論Futex是因?yàn)樵贏ndroid中不但線程函數(shù)使用了Futex，甚至一些模塊中也直接使用了Futex作為進(jìn)程間同步手段，了解Futex的原理有助于我們理解這些模塊的運(yùn)行機(jī)制。
- Linux從2.5.7開始支持Futex。在類Unix系統(tǒng)開發(fā)中，傳統(tǒng)的進(jìn)程同步機(jī)制都是通過對(duì)內(nèi)核對(duì)象進(jìn)行操作來(lái)完成，這個(gè)內(nèi)核對(duì)象在需要同步的進(jìn)程中都是可見的。這種同步方法因?yàn)樯婕坝脩魬B(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，效率比較低。使用了傳統(tǒng)的同步機(jī)制時(shí)，進(jìn)入臨界區(qū)即使沒有其他進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)切到內(nèi)核態(tài)檢查內(nèi)核同步對(duì)象的狀態(tài)，這種不必要的切換明顯降低了程序的執(zhí)行效率。
- Futex就是為了解決這個(gè)問題而設(shè)計(jì)的。Futex是一種用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)混合的同步機(jī)制，使用Futex同步機(jī)制，如果用于進(jìn)程間同步，需要先調(diào)用mmap()創(chuàng)建一塊共享內(nèi)存，F(xiàn)utex變量就位于共享區(qū)。同時(shí)對(duì)Futex變量的操作必須是原子的，當(dāng)進(jìn)程駛?cè)脒M(jìn)入臨界區(qū)或者退出臨界區(qū)的時(shí)候，首先檢查共享內(nèi)存中的Futex變量，如果沒有其他進(jìn)程也申請(qǐng)了使用臨界區(qū)，則只修改Futex變量而不再執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用。如果同時(shí)有其他進(jìn)程也申請(qǐng)使用臨界區(qū)，還是需要通過系統(tǒng)調(diào)用去執(zhí)行等待或喚醒操作。這樣通過用戶態(tài)的Futex變量的控制，減少了進(jìn)程在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間切換的次數(shù)，從而最大程度的降低了系統(tǒng)同步的開銷。
1、Futex的系統(tǒng)調(diào)用
在Linux中，F(xiàn)utex系統(tǒng)調(diào)用的定義如下：
#define _NR_futex 240
(1) Fetex系統(tǒng)調(diào)用的原型是：
int futex(int *uaddr, int cp, int val, const struct timespec *timeout, int *uaddr2, int val3);
- uaddr是Futex變量，一個(gè)共享的整數(shù)計(jì)數(shù)器。
- op表示操作類型，有5中預(yù)定義的值，但是在Bionic中只使用了下面兩種：① FUTEX_WAIT,內(nèi)核將檢查uaddr中家屬器的值是否等于val，如果等于則掛起進(jìn)程，直到uaddr到達(dá)了FUTEX_WAKE調(diào)用或者超時(shí)時(shí)間到。②FUTEXT_WAKE：內(nèi)核喚醒val個(gè)等待在uaddr上的進(jìn)程。
- val存放與操作op相關(guān)的值
- timeout用于操作FUTEX_WAIT中，表示等待超時(shí)時(shí)間。
- uaddr2和val3很少使用。
(1) 在Bionic中，提供了兩個(gè)函數(shù)來(lái)包裝Futex系統(tǒng)調(diào)用：
extern int _futex_wait(volatile void *ftx,int val, const struct timespec *timespec );
extern int _futex_wake(volatile void *ftx, int count);
(2) Bionic還有兩個(gè)類似的函數(shù)，它們的原型如下：
extern int _futex_wake_ex(volatile void *ftx,int pshared,int val);
extern int _futex_wait_ex(volatile void *fex,int pshared,int val, const stuct timespec *timeout);
這兩個(gè)函數(shù)多了一個(gè)參數(shù)pshared,pshared的值為true 表示wake和wait操作是用于進(jìn)程間的掛起和喚醒；值為false表示操作于進(jìn)程內(nèi)線程的掛起和喚醒。當(dāng)pshare的值為false時(shí)，執(zhí)行Futex系統(tǒng)調(diào)用的操作碼為
FUTEX_WAIT|FUTEX_PRIVATE_FLAG
內(nèi)核如何檢測(cè)到操作有FUTEX_PRIVATE_FLAG標(biāo)記，能以更快的速度執(zhí)行七掛起和喚醒操作。
_futex_wait 和_futex_wake函數(shù)相當(dāng)于pshared等于true的情況。
(3) 在Bionic中，提供了兩個(gè)函數(shù)來(lái)包裝Futex系統(tǒng)調(diào)用：
extern int _futex_syscall3(volatile void *ftx,int pshared,int val);
extern int _futex_syscall4(volatile void *ftx,int pshared,int val, const struct timespec *timeout)
_futex_syscall3()相當(dāng)于 _futex_wake()，而 _futex_system4()相當(dāng)于 _futex_wait()。這兩個(gè)函數(shù)與前面的區(qū)別是能指定操作碼op作為參數(shù)。操作碼可以是FUTEX_WAIT_FUTEX_WAKE或者它們和FUTEX_PRIVATE_FLAG的組合。
2、Futex的用戶態(tài)操作
Futex的系統(tǒng)調(diào)用FUTEX_WAIT和FUTEX_WAKE只是用來(lái)掛起或者喚醒進(jìn)程，F(xiàn)utex的同步機(jī)制還包括用戶態(tài)下的判斷操作。用戶態(tài)下的操作沒有固定的函數(shù)調(diào)用，只是一種檢測(cè)共享變量的方法。Futex用于臨界區(qū)的算法如下：
- 首先創(chuàng)建一個(gè)全局的整數(shù)變量作為Futex變量，如果用于進(jìn)程間的同步，這個(gè)變量必須位于共享內(nèi)存。Futex變量的初始值為0。
- 當(dāng)進(jìn)程或線程嘗試持有鎖的時(shí)候，檢查Futex變量的值是否為0，如果為0，則將Futex變量的值設(shè)為1，然后繼續(xù)執(zhí)行；如果不為0，將Futex的值設(shè)為2以后，執(zhí)行FUTEX_WAIT 系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入掛起等待狀態(tài)。
- Futex變量值為0表示無(wú)鎖狀態(tài)，1表示有鎖無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài)，2表示有競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài)。
- 當(dāng)進(jìn)程或線程釋放鎖的時(shí)候，如果Futex變量的值為1，說明沒有其他線程在等待鎖，這樣講Futex變量的值設(shè)為0就結(jié)束了；如果Futex變量的值2，說明還有線程等待鎖，將Futex變量值設(shè)為0，同時(shí)執(zhí)行FUTEX_WAKE()系統(tǒng)調(diào)用來(lái)喚醒等待的進(jìn)程。
對(duì)Futex變量操作時(shí)，比較和賦值操作必須是原子的。
