Linux程序之线程轮询

说到linux程序，我们会条件反射地想到用户空间跟内核空间，两者有很多的相似之处，使用到的资源保护，数据同步的方法也类似。如用户空间用open去打开一个文件，内核里面有file_open的操作等。但他们之间还是有需要遵循的规则，如内核空间跟用户空间直接的数据拷贝，需要用到copy_from_user和copy_to_user；这也是为什么我们平时听到的在32位机上，linux进程都可以独立地访问4G的空间，（内核空间3-4G，用户空间0-3G），也是通过这些规则来实现的。

这里说线程轮询，之所以讲到上一段的内容，是因为轮询中会涉及到用户空间跟内核空间的数据交互。

说回轮询，可能好多人会有疑惑，为什么不适用中断，中断的方式占用资源更少、实时性更强、效率更高。其主要的原因有几点：

1、芯片的资源是有限的，也就是中断GPIO有限，有时候我们把中断GPIO用完了，可以用轮询来替代。

2、有些时候我们需要使用轮询来读取某些数据，如串口数据，又话者是通过i2c去读取某一个外部器件的寄存器值。

3、第三点也是最重要的一点，中断是被动的，也就是中断需要外部条件触发，中断条件来了，进入中断函数处理一下就完事了，最多后面还跟着一个schedule。而轮询是我们主动发出的，而且处理逻辑也更为复杂特别是多线程中对临界资源的访问，需要非常注意。

对于线程轮询，个人觉得可以分为三种：

一、           线程轮询阻塞，由外部条件唤醒

对于这种方式，我们常见的是select和poll的方式，常见的方式是读取串口或者系统input类事件的时候使用到，一般的用法是：

readThread{
	while（TRUE）{
	select（•••）； //poll(•••)；
	//数据处理
}
}

这也是线程常见的处理轮询的方式，线程回调函数进来，进入while循环，然后进行阻塞，让出cpu，由特定的条件来唤醒。对于select和poll也是一样，不过这种方式是被动的，必须有外部数据来唤醒，如果我们想采用主动唤醒线程的方式呢？那么就看第二点。

二、           线程轮询阻塞，由其他线程按照一定的逻辑形式唤醒

线程进入阻塞，是为了让进程进入休眠，一方面不会占用cpu资源；另一方面线程也没有可以处理的任务，无需一直在跑。但线程不能一直处于阻塞的状态，终究要唤醒的，所以第二点是讲一下怎样去主动唤醒阻塞的进程。pthread_cond_wait是用户空间常用的一种主动进入阻塞的方式，这种方式下，阻塞可以通过pthread_cond_signal和pthread_cond_broadcast两个函数来唤醒，这两个函数的具体用法这里不多说，值得注意的是，pthread_cond_wait是需要在一个互斥锁的保护下被检查，才能确保调用pthread_cond_wait的线程被依次的执行，而且在一些资料显示，对pthread_cond_wait有这样的描述：阻塞在条件变量上的线程被唤醒以后，直到pthread_cond_wait()函数返回之前条件的值都有可能发生变化。所以函数返回以后，在锁定相应的互斥锁之前，必须重新测试条件值。最好的测试方法是循环调用pthread_cond_wait函数，并把满足条件的表达式置为循环的终止条件。所以总结，pthread_cond_wait的使用方式：

readThread{
	while（TRUE）{
	pthread_mutex_lock(); 
while (condition_is_false) pthread_cond_wait(); 
pthread_mutex_unlock(); 
	//数据处理
}
}

好，这样就实现了主动阻塞和主动唤醒的目的，这也是进程间通信，数据同步的一种手段。上文说到linux用户空间跟内核空间的编程很相似，对于这种做法，在内核里面也是用同样的方式可以实现的，具体是wait_event_interruptible和wake_up_interruptible的使用，详细不说，用法是大概相似的。也可以使用这种方法来实现内核空间跟用户空间的数据同步。

以上是线程主动进入阻塞，并由其他线程主动唤醒的方式。还有一种方式就是线程主动轮询，并且是每隔一段时间轮询一次，这方面就需要用到系统调度来实现了。情况第三点情况。

三、           线程轮询阻塞，由系统调度唤醒

线程阻塞的方式好多，不过根本原因是调用能引起调度的函数即可，其他的工作就让系统调度来完成。第三点的做法也是一样，看下面的用法：

readThread{
	while（TRUE）{
	sleep(3);
	//数据处理
}
}

最简单的就是使用sleep函数让线程进入休眠。等休眠结束后，线程由“阻塞状态”进入“就绪状态”，期间就需要系统根据不同线程间的nice值来评判运行的优先级。显然这种方式的实时性不高，而且还可能被系统中断打断的可能。不过对于我们而言，这种状态已经足够了。因为现在的系统都是微秒级别，基本差别不到差别。而且对于使用这种方式的用户，也不需要很高的实时性要求。足够我们使用了。

再次说到，内核空间的用法跟用户空间很相似。这种使用方法，在内核也有相应的办法实现的，除了像上面的使用方法外，内核还可以借助schedule的系统调度来完成，这种方式直接使用系统调度，更为简洁。而且对于开一个调度和开一线程，对于内核而言，原理性都是一样的。所以在内核里面的做法，是建议使用schedule的方式，而且有需要的话，还可以使用schedule_work_on和schedule_delayed_owrk_on来指定执行的CPU，资源由我们自动分配。