摘要：分布式計算系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，它是由一組分布在網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)上的進(jìn)程彼此協(xié)作來完成任務(wù)的。這些進(jìn)程通過通信中間件來完成同步、互斥以及數(shù)據(jù)傳送等操作，通信中間件是分布式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。本文就通信中間件的實(shí)現(xiàn)所用到的各種技術(shù)進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹，從而給讀者一些有用的參考和啟發(fā)。
　　關(guān)鍵字：守護(hù)進(jìn)程；Posix線程；互斥鎖；讀寫鎖
　　
　　1、守護(hù)進(jìn)程
　　1.1什么是守護(hù)進(jìn)程
　　守護(hù)進(jìn)程（Daemon）是運(yùn)行在后臺的特殊進(jìn)程，它獨(dú)立于控制終端并且周期性地執(zhí)行某種任務(wù)或等待處理某些發(fā)生的事件。守護(hù)進(jìn)程是一種很有用的進(jìn)程。[1]UNIX中的大多數(shù)服務(wù)器就是用守護(hù)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)的。比如，超級服務(wù)器inetd,Web服務(wù)器httpd等。同時，守護(hù)進(jìn)程完成許多系統(tǒng)任務(wù)。比如，作業(yè)規(guī)劃進(jìn)程crond，打印進(jìn)程lpd等。守護(hù)進(jìn)程的編程本身并不復(fù)雜，復(fù)雜的是各種版本的UNIX的實(shí)現(xiàn)機(jī)制不盡相同，造成不同UNIX環(huán)境下守護(hù)進(jìn)程的編程規(guī)則并不一致。
　　1.2守護(hù)進(jìn)程的特性
　　守護(hù)進(jìn)程最重要的特性是后臺運(yùn)行。在這一點(diǎn)上DOS下的常駐內(nèi)存程序TSR與之相似。其次，守護(hù)進(jìn)程必須與其運(yùn)行前的環(huán)境隔離開來。這些環(huán)境包括未關(guān)閉的文件描述符，控制終端，會話和進(jìn)程組，工作目錄以及文件創(chuàng)建掩模等。這些環(huán)境通常是守護(hù)進(jìn)程從執(zhí)行它的父進(jìn)程中繼承下來的。最后，守護(hù)進(jìn)程的啟動方式有其特殊之處。它可以在Linux系統(tǒng)啟動時從啟動腳本/etc/rcd中啟動，也可以由作業(yè)規(guī)劃進(jìn)程crond啟動，還可以由用戶終端（通常是shell）執(zhí)行。
　　2、POSIX線程
　　2.1POSIX線程的創(chuàng)建
　　1線程與進(jìn)程
　　相對進(jìn)程而言，線程是一個更加接近于執(zhí)行體的概念，它可以與同進(jìn)程中的其他線程共享數(shù)據(jù)，但擁有自己的棧空間，擁有獨(dú)立的執(zhí)行序列。在串行程序基礎(chǔ)上引入線程是為了提高程序的并發(fā)度，從而提高程序運(yùn)行效率和響應(yīng)時間。線程和進(jìn)程在使用上各有優(yōu)缺點(diǎn)：線程執(zhí)行開銷小，但不利于資源的管理和保護(hù)；而進(jìn)程正相反。同時，線程適合于在SMP機(jī)器上運(yùn)行，而進(jìn)程則可以跨機(jī)器遷移。[2]
　　2創(chuàng)建線程
　　POSIX通過pthread_create()函數(shù)創(chuàng)建線程，pthread_create()創(chuàng)建的線程并不具備與主線程（即調(diào)用pthread_create()的線程）同樣的執(zhí)行序列，而是使其運(yùn)行start_routine（）函數(shù)。thread返回創(chuàng)建的線程ID，而attr是創(chuàng)建線程時設(shè)置的線程屬性。pthread_create()的返回值表示線程創(chuàng)建是否成功。盡管arg是void*類型的變量，但它同樣可以作為任意類型的參數(shù)傳給start_routine()函數(shù)；同時,start_routine()可以返回一個void*類型的返回值，而這個返回值也可以是其他類型，并由pthread_join()獲取。[3]
　　2.2線程的取消
　　1線程取消的定義
　　一般情況下，線程在其主體函數(shù)退出的時候會自動終止，但同時也可以因為接收到另一個線程發(fā)來的終止（取消）請求而被強(qiáng)制取消。線程的取消類似于線程的終止，但還是有概念上的不同，雖然取消的目的和結(jié)果是終止，但是取消往往是被動的。
　　2取消點(diǎn)
　　根據(jù)POSIX標(biāo)準(zhǔn)，pthread_join()、pthread_testcancel()、pthread_cond_wait()、pthread_cond_timedwait()、sem_wait()、sigwait()等函數(shù)以及read()、write()等會引起執(zhí)行阻塞的系統(tǒng)調(diào)用都是Cancelation-point，而其他pthread函數(shù)都不會引起Cancelation動作。但是pthread_cancel的手冊頁聲稱，由于LinuxThread庫與C庫結(jié)合得不好，因而目前C庫函數(shù)都不是Cancelation-point；但CANCEL信號會使線程從阻塞的系統(tǒng)調(diào)用中退出，并置EINTR錯誤碼，因此可以在需要作為Cancelation-point的系統(tǒng)調(diào)用前后調(diào)用pthread_testcancel(),從而達(dá)到POSIX標(biāo)準(zhǔn)所要求的目標(biāo)，即如下例子代碼段所示[4]
　　pthread_testcancel()；
　　retcode=read(fd,buffer,length)；
　　pthread_testcancel()；
　　3程序設(shè)計方面的考慮
　　如果線程處于無限循環(huán)中，且循環(huán)體內(nèi)沒有執(zhí)行至取消點(diǎn)的必然路徑，則線程無法由外部其他線程的取消請求而終止。因此在這樣的循環(huán)體的必經(jīng)路徑上應(yīng)該加入pthread_testcancel()調(diào)用。
　　2.3線程的中止
　　一般來說，Posix的線程終止有兩種情況：正常終止和非正常終止。線程主動調(diào)用pthread_exit()或者從線程函數(shù)中return都將使線程正常退出，這是可預(yù)見的退出方式；非正常終止是線程在其他線程的干預(yù)下，或者由于自身運(yùn)行出錯（比如訪問非法地址）而退出，這種退出方式是不可預(yù)見的。
　　3、互斥鎖
　　盡管在Posix線程中同樣可以使用IPC的信號量機(jī)制來實(shí)現(xiàn)互斥鎖mutex功能,但顯然semphore的功能過于強(qiáng)大了，在Posix線程中定義了另外一套專門用于線程同步的mutex函數(shù)。
　　1．創(chuàng)建和銷毀
　　有兩種方法創(chuàng)建互斥鎖,靜態(tài)方式和動態(tài)方式。而銷毀一個互斥鎖即意味著釋放它所占用的資源，且要求此鎖當(dāng)前處于開放狀態(tài)。由于在Linux中，互斥鎖并不占用任何資源，因此LinuxThreads中的pthread_mutex_destroy()除了檢查鎖狀態(tài)以外沒有其他動作。
　　2.互斥鎖的屬性
　　互斥鎖的屬性在創(chuàng)建鎖的時候指定，在LinuxThreads實(shí)現(xiàn)中僅有一個鎖類型屬性，不同的鎖類型在試圖對一個已經(jīng)被鎖定的互斥鎖加鎖時表現(xiàn)不同。當(dāng)前有四個值可供選擇：
　　PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP，這是缺省值，也就是普通鎖。當(dāng)一個線程加鎖以后，其余請求鎖的線程將形成一個等待隊列，并在解鎖后按優(yōu)先級獲得鎖。這種鎖策略保證了資源分配的公平性。
　　PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP，嵌套鎖，允許同一個線程對同一個鎖成功獲得多次，并通過多次unlock解鎖。如果是不同線程請求，則在加鎖線程解鎖時重新競爭。
　　PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP，檢錯鎖，如果同一個線程請求同一個鎖，則返回EDEADLK，否則與PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP類型動作相同。這樣就保證當(dāng)不允許多次加鎖時不會出現(xiàn)最簡單情況下的死鎖。
　　PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP，適應(yīng)鎖，動作最簡單的鎖類型，僅等待解鎖后重新競爭。
　　3．互斥鎖的操作
　　互斥鎖操作主要包括加鎖pthread_mutex_lock()、解鎖pthread_mutex_unlock()和測試加鎖pthread_mutex_trylock()三個，不論哪種類型的鎖，都不可能被兩個不同的線程同時得到，而必須等待解鎖。對于普通鎖和適應(yīng)鎖類型，解鎖者可以是同進(jìn)程內(nèi)任何線程；而檢錯鎖則必須由加鎖者解鎖才有效，否則返回EPERM；對于嵌套鎖，文檔和實(shí)現(xiàn)要求必須由加鎖者解鎖，但實(shí)驗結(jié)果表明并沒有這種限制，這個不同目前還沒有得到解釋。
　　4、條件變量
　　條件變量是利用線程間共享的全局變量進(jìn)行同步的一種機(jī)制，主要包括兩個動作：一個線程等待“條件變量的條件成立”而掛起；另一個線程使“條件成立”（給出條件成立信號）。為了防止競爭，條件變量的使用總是和一個互斥鎖結(jié)合在一起。
　　1．創(chuàng)建和注銷
　　條件變有靜態(tài)動態(tài)兩種創(chuàng)建方式，靜態(tài)方式使PTHREAD_COND_INITIALIZER常量初始化；動態(tài)方式則調(diào)用pthread_cond_init()函數(shù)。注銷一個條件變量需要調(diào)用pthread_cond_destroy()，只有在沒有線程在該條件變量上等待的時候才能注銷這個條件變量，否則將返回EBUSY。因為Linux實(shí)現(xiàn)的條件變量沒有分配什么資源，所以注銷動作只包括檢查是否有等待線程。
　　2．等待和激發(fā)
　　等待條件有兩種方式：無時間設(shè)定等待pthread_cond_wait()和計時等待pthread_cond_timedwait()，其中計時等待方式如果在給定時刻前條件沒有滿足，則返回ETIMEOUT,結(jié)束等待。無論哪種等待方式，都必須和一個互斥鎖配合，以防止多個線程同時請求pthread_cond_wait()的競爭條件（RaceCondition）。
　　激發(fā)條件有兩種形式：pthread_cond_signal()激活一個等待該條件的線程，存在多個等待線程時按入隊順序激活其中一個；而pthread_cond_broadcast()則激活所有等待線程。
　　5、讀寫鎖
　　通過讀寫鎖，可以對受保護(hù)的共享資源進(jìn)行并發(fā)讀取和獨(dú)占寫入。讀寫鎖是可以在讀取或?qū)懭肽Ｊ较骆i定的單一實(shí)體。要修改資源，線程必須首先獲取互斥寫鎖。必須釋放所有讀鎖之后，才允許使用互斥寫鎖。
　　5.1讀寫鎖的屬性
　　初始化讀寫鎖屬性
　　pthread_rwlockattr_init使用實(shí)現(xiàn)中定義的所有屬性的缺省值來初始化讀寫鎖屬性對象attr。讀寫鎖屬性對象初始化一個或多個讀寫鎖之后，影響該對象的任何函數(shù)（包括銷毀）不會影響先前已初始化的讀寫鎖。
　　銷毀讀寫鎖屬性
　　pthread_rwlockattr_destroy可用來銷毀讀寫鎖屬性對象。
　　實(shí)現(xiàn)可以導(dǎo)致pthread_rwlockattr_destroy()將attr所引用的對象設(shè)置為無效值。
　　設(shè)置讀寫鎖屬性
　　pthread_rwlockattr_setpshared可用來設(shè)置由進(jìn)程共享的讀寫鎖屬性。
　　5.2讀寫鎖的使用
　　1．初始化讀寫鎖
　　pthread_rwlock_init可以通過attr所引用的屬性初始化rwlock所引用的讀寫鎖。初始化讀寫鎖之后，該鎖可以使用任意次數(shù)，而無需重新初始化。成功初始化之后，讀寫鎖的狀態(tài)會變?yōu)橐殉跏蓟�和未鎖定。
　　2．獲取讀鎖
　　pthread_rwlock_rdlock可用來向rwlock所引用的讀寫鎖應(yīng)用讀鎖。如果寫入器未持有讀鎖，并且沒有任何寫入器基于該鎖阻塞，則調(diào)用線程會獲取讀鎖。如果寫入器未持有讀鎖，但有多個寫入器正在等待該鎖時，調(diào)用線程是否能獲取該鎖是不確定的。如果某個寫入器持有讀鎖，則調(diào)用線程無法獲取該鎖。如果調(diào)用線程未獲取讀鎖，則它將阻塞。
　　3．獲取寫鎖
　　pthread_rwlock_wrlock可用來向rwlock所引用的讀寫鎖應(yīng)用寫鎖。如果沒有其他讀取器線程或?qū)懭肫骶�程持有讀寫鎖rwlock,則調(diào)用線程將獲取寫鎖。否則，調(diào)用線程將阻塞。如果在進(jìn)行調(diào)用時，調(diào)用線程持有讀寫鎖（讀鎖或?qū)戞i），則結(jié)果是不確定的。為避免寫入器資源匱乏，允許在多個實(shí)現(xiàn)中使寫入器的優(yōu)先級高于讀取器。如果針對未初始化的讀寫鎖調(diào)用pthread_rwlock_wrlock()，則結(jié)果是不確定的。
　　4．釋放讀寫鎖
　　pthread_rwlock_unlock可用來釋放在rwlock引用的讀寫鎖對象中持有的鎖。如果通過調(diào)用pthread_rwlock_unlock()來釋放讀寫鎖對象中的讀鎖，并且其他讀鎖當(dāng)前由該鎖對象持有，則該對象會保持讀取鎖定狀態(tài)。如果多個線程基于rwlock中的讀鎖和寫鎖阻塞，則無法確定讀取器和寫入器誰先獲得該鎖。如果針對未初始化的讀寫鎖調(diào)用pthread_rwlock_unlock()，則結(jié)果是不確定的。
　　5．銷毀讀寫鎖
　　pthread_rwlock_destroy可用來銷毀rwlock引用的讀寫鎖對象并釋放該鎖使用的任何資源。再次調(diào)用pthread_rwlock_init()重新初始化該鎖之前，使用該鎖所產(chǎn)生的影響是不確定的。實(shí)現(xiàn)可能會導(dǎo)致pthread_rwlock_destroy()將rwlock所引用的對象設(shè)置為無效值。
　　6、結(jié)束語
　　由于文章篇幅有限，只能從大體上對通信中間件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡單的介紹，具體的一些細(xì)節(jié)可能不夠深入，在這只能給讀者作為參考，請讀者見諒。
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]李勇.《進(jìn)程間通信的分布式實(shí)現(xiàn)》.吉林大學(xué),2004.
　　[2]JohnShapleyGray著,張寧等譯.《UNIX進(jìn)程間通信（第二版）》.電子工業(yè)出版社,2001.
　　[3]（英）GeorgeCoulouris,JeanDollimore,TimKindberg著,金蓓弘等譯.《分布式系統(tǒng)概念與設(shè)計》第三版.機(jī)械工業(yè)出版社,中信出版社,2004.
　　[4]DouglasE.Comer,DavidL.Stevens著.趙剛,林瑤,蔣慧譯.《用TCP/IP進(jìn)行網(wǎng)際互聯(lián)第三卷：客戶-服務(wù)器編程與應(yīng)用（Linux/POSIX套接字版）》.電子工業(yè)出版社,2001.

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