4.7POSIX进程与线程实例

aspirestro三水哥2025-12-23 20:07

4.7 POSIX进程与线程实例

4.7.1 构建latency

latency是Xenomai测试套件中的一个应用程序，用于测量系统的实时性能，特别是上下文切换和中断响应的延迟。编译并生成Xenomai应用层代码的过程中，latency会被自动编译，默认安装到usr/xenomai/bin/latency。

latency源码位于testsuite/latency/latency.c，可以作为一个实例来说明如何使用POSIX skin进行实时进程和实时线程编程。

在Xenomai源码中，latency的Makefile是通过Automake工具生成的。为了更好地模拟并演示如何构建Xenomai应用程序，手动来重新构建latency。

将makefile与latency.c放在同一个目录下，执行make命令，即可生成latency应用。

  • makefile文件
    • 使用POSIX skin进行编译链接
    • 使用wrap-link.sh进行链接
makefile 复制代码 
XENO_DESTDIR=/root/xenomai/xenomai-v3.2.4-install

CC = aarch64-linux-gnu-gcc
CCLD = $(XENO_DESTDIR)/usr/xenomai/bin/wrap-link.sh $(CC)

XENO_CONFIG =$(XENO_DESTDIR)/usr/xenomai/bin/xeno-config

XENO_POSIX_CFLAGS =$(shell DESTDIR=$(XENO_DESTDIR) $(XENO_CONFIG) --skin=posix --cflags)

XENO_POSIX_LDFLAGS =$(shell DESTDIR=$(XENO_DESTDIR) $(XENO_CONFIG) --skin=posix --ldflags) \
                    -lm

PROJPATH = .

EXECUTABLE := latency

src = $(wildcard ./*.c)

obj = $(patsubst %.c, %.o, $(src))

all: $(EXECUTABLE)

$(EXECUTABLE): $(obj)
        $(CCLD) -g -o $@ $^ $(XENO_POSIX_LDFLAGS)

%.o:%.c
        $(CC) -g -o $@ -c $< $(XENO_POSIX_CFLAGS)

.PHONY: clean
clean:
        rm -f $(EXECUTABLE) $(obj)
  • latency.c源码

直接编译latency.c源码，会报告找不到cobalt/uapi/syscall.h头文件。

这个头文件实际上并不需要，直接移除，即可编译通过。

c 复制代码 
diff --git a/testsuite/latency/latency.c b/testsuite/latency/latency.c
index fe688b9b8..0b6964bb9 100644
--- a/testsuite/latency/latency.c
+++ b/testsuite/latency/latency.c
@@ -556,8 +556,6 @@ static void faulthand(int sig)

 #ifdef CONFIG_XENO_COBALT

-#include <cobalt/uapi/syscall.h>
-
 static const char *reason_str[] = {
        [SIGDEBUG_UNDEFINED] = "received SIGDEBUG for unknown reason",
        [SIGDEBUG_MIGRATE_SIGNAL] = "received signal",

  • 为什么用户空间代码几乎不再用这个头文件了？

    因为Xenomai 3.x，尤其是使用Dovetail之后，已经提供了更好的用户空间API封装，开发者可以直接使用Xenomai的 POSIX skin 或者 Alchemy skin 来进行实时编程，而不需要直接调用底层的Cobalt内核接口。

  • 那为什么这个头文件还必须存在？

    • Cobalt 层保持ABI（Application Binary Interface）稳定性,老版本的libcobalt.so, 实用应用程序和Xenomai 2 的extensions必须能在新版本内核上继续工作，就是不需要重新编译。
    • Xenomai 的构建过程会使用 cobalt/uapi 来生成 Cobalt 的syscall表, Wrapper, Trampoline 代码(系统调用从 Linux 用户态到 Cobalt co-kernel 的入口跳板) 和 Stub 码(发起系统调用的参数封装层)
    • 这是一个历史遗留但必须保留的 interface，旧的 binary 依然依赖它，内核内部的 syscall dispatching 表（系统调用分发表）仍然使用它

4.7.2 执行latency

latency能在用户态任务、内核态周期性任务、内核态定时器中断处理函数等不同模式下进行延迟测量，还能记录最小、最大、平均延迟等数据，并通过直方图、统计信息等方式展示结果。

参数 说明
-h 打印最小、平均、最大延迟的直方图，方便直观查看延迟分布情况。
-g 将直方图以 Gnuplot 格式导出到指定的 中，便于后续用 Gnuplot 工具进行可视化处理。
-s 打印最小、平均、最大延迟的统计信息，如方差、标准差等，帮助分析延迟数据特征。
-H 设置直方图的大小，默认值为 200。若最后一个桶数据已满，可增大该值以容纳更多数据。
-B 设置直方图中每个桶的大小，默认值为 1000ns。减小该值能提高延迟数据统计的分辨率。
-p <period_us> 设置采样周期，单位为微秒。程序会按照该周期进行延迟采样。
-l 设置每显示多少行数据后输出一次表头，默认值为 21。设置为 0 可抑制表头输出。
-T <test_duration_seconds> 设置测试持续时间，单位为秒。默认值为 0，表示需手动通过 ^C 结束测试。
-q 当使用 -T 参数时，抑制 RTD 和 RTH 行的输出，保持输出简洁。
-t <test_mode> 指定测试模式，0 表示用户态任务（默认），1 表示内核态周期性任务，2 表示内核态定时器中断处理函数。
-f 每当出现新的最大延迟时，冻结跟踪信息，方便调试问题。
-c 将测量任务固定到指定编号的 CPU 上运行，避免任务在不同 CPU 间迁移带来的影响。
-P 设置任务优先级，仅适用于测试模式 0 和 1。
-b 遇到模式切换时终止测试。

为了演示用户层线程的创建，使用默认的用户态任务测试模式。在执行latency时，不增加任何参数，使用默认即可。latency会持续打印延迟信息，如下是执行后的输出。因为是在QEMU下执行的，所以延迟很大，可以忽略延迟信息。

bash 复制代码 
$ ./latency
== Sampling period: 1000 us
== Test mode: periodic user-mode task
== All results in microseconds
warming up...
RTT|  00:00:01  (periodic user-mode task, 1000 us period, priority 99)
RTH|----lat min|----lat avg|----lat max|-overrun|---msw|---lat best|--lat worst
RTD|     66.708|    495.528|  36315.492|      38|     0|     66.708|  36315.492
RTD|     90.538|    445.924|   2583.055|      41|     0|     66.708|  36315.492
RTD|     62.389|    454.657|   1977.077|      47|     0|     62.389|  36315.492
...snip...

在latency执行后，会在当前控制台持续输出。可以通过ssh -p 56789 localhost登录到QEMU ARM64虚拟机，在新的控制台观察latency信息。

  • 执行cat /proc/xenomai/sched/threads查看Xenomai实时线程信息。
    • 主线程latency：对应于Linux中的latency进程，PID号为523。
    • 子线程sampling：用户态任务，用于延迟采样，PID号为525。
    • 子线程display：用于打印信息，PID号为526。
bash 复制代码 
$ cat /proc/xenomai/sched/threads
CPU  PID    CLASS  TYPE      PRI   TIMEOUT       STAT       NAME
  0  0      idle   core       -1   -             R          [ROOT/0]
  1  0      idle   core       -1   -             R          [ROOT/1]
  2  0      idle   core       -1   -             R          [ROOT/2]
  3  0      idle   core       -1   -             R          [ROOT/3]
  0  523    rt     cobalt      0   -             X          latency
  0  525    rt     cobalt      0   -             W          display-523
  0  526    rt     cobalt     99   -             Wt         sampling-523
  • 执行top -H -b -n 1 -p 523查看Linux中PID号为523的latency进程。
    • -H：显示线程（H 表示 "Threads-mode"，默认显示进程）。
    • -b：以批处理模式（非交互式）运行，适合输出到文件或管道。
    • -n 1：仅运行一次迭代后退出。
    • -p 523: Linux中latency进程的PID为523。
bash 复制代码 
$ top -H -b -n 1 -p 523
top - 10:00:28 up  7:41,  2 users,  load average: 0.00, 0.00, 0.00
Threads:   4 total,   0 running,   4 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu(s):  6.9 us,  0.0 sy,  0.0 ni, 93.1 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
MiB Mem :   3671.2 total,   3477.8 free,     83.1 used,    110.3 buff/cache
MiB Swap:      0.0 total,      0.0 free,      0.0 used.   3553.4 avail Mem

    PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU  %MEM     TIME+ COMMAND
    523 root      20   0   77976  11684   3076 S   0.0   0.3   0:00.09 latency
    524 root      20   0   77976  11684   3076 S   0.0   0.3   0:00.71 cobalt_printf
    525 root      20   0   77976  11684   3076 S   0.0   0.3   0:00.42 display-523
    526 root      rt   0   77976  11684   3076 S   0.0   0.3   0:00.00 sampling-523

相比Xenomai实时线程，在Linux中多出了一个cobalt_printf子线程。cobalt_printf子线程是latency进程在启动过程中创建的，它定期 将缓冲区内容刷新到目标流（如 stdout、stderr 或其他文件流）。

4.7.3 实时线程的创建

以创建实时线程sampling为实例，分析创建实时线程的要点。

c 复制代码 
	if (test_mode == USER_TASK) {
		setup_sched_parameters(&tattr, priority);
		CPU_ZERO(&cpus);
		CPU_SET(cpu, &cpus);

		ret = pthread_attr_setaffinity_np(&tattr, sizeof(cpus), &cpus);
		if (ret)
			error(1, ret, "pthread_attr_setaffinity_np()");

		ret = pthread_create(&latency_task, &tattr, latency, NULL);
		if (ret)
			error(1, ret, "pthread_create(latency)");

		pthread_attr_destroy(&tattr);
	}
1. setup_sched_parameters()函数初始化线程调度属性

setup_sched_parameters 函数的主要功能是初始化线程属性对象，设置线程的调度继承策略、调度策略以及调度参数。

c 复制代码 
static void setup_sched_parameters(pthread_attr_t *attr, int prio)
{
	struct sched_param p;
	int ret;
	
	ret = pthread_attr_init(attr);
	if (ret)
		error(1, ret, "pthread_attr_init()");

	ret = pthread_attr_setinheritsched(attr, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);
	if (ret)
		error(1, ret, "pthread_attr_setinheritsched()");

	ret = pthread_attr_setschedpolicy(attr, prio ? SCHED_FIFO : SCHED_OTHER);
	if (ret)
		error(1, ret, "pthread_attr_setschedpolicy()");

	p.sched_priority = prio;
	ret = pthread_attr_setschedparam(attr, &p);
	if (ret)
		error(1, ret, "pthread_attr_setschedparam()");
}

  • 初始化线程属性对象

    • 调用 pthread_attr_init 函数对传入的 attr 进行初始化，若初始化失败则调用 error 函数输出错误信息并终止程序。

  • 设置调度继承策略

    • 调用 pthread_attr_setinheritsched 函数将调度继承策略设置为 PTHREAD_EXPLICIT_SCHED，表示线程将使用 attr 中显式设置的调度策略和参数，若设置失败则报错终止。

  • 设置调度策略

    • 依据 prio 的值选择调度策略，若 prio 不为 0 则使用 SCHED_FIFO（实时先进先出调度策略），否则使用 SCHED_OTHER（默认的分时调度策略）。对于sampling线程，传入的prio值为HIPRIO（99），对应的调度策略为SCHED_FIFO。
    • 调用 pthread_attr_setschedpolicy 函数进行设置，失败则报错终止。

  • 设置调度优先级

    • 将 prio 赋值给 p.sched_priority，对于sampling线程，传入的prio值为HIPRIO（99）。
    • 调用 pthread_attr_setschedparam 函数将该调度参数设置到 attr 中，失败则报错终止。
2. pthread_attr_setaffinity_np()函数设置CPU亲和性

pthread_attr_setaffinity_np 是一个非标准（_np 表示非可移植）的函数，用于设置线程属性对象的 CPU 亲和性。

c 复制代码 
		CPU_ZERO(&cpus);
		CPU_SET(cpu, &cpus);

		ret = pthread_attr_setaffinity_np(&tattr, sizeof(cpus), &cpus);
		if (ret)
			error(1, ret, "pthread_attr_setaffinity_np()");

  • CPU_ZERO(&cpus);

    • 功能：CPU_ZERO 是一个宏，定义在 <sched.h> 头文件中，用于将 cpu_set_t 类型的集合 cpus 清零。cpu_set_t 类型用于表示一组 CPU 核心，将集合清零意味着初始化该集合，使其不包含任何 CPU 核心。

  • CPU_SET(cpu, &cpus);

    • 功能：CPU_SET 也是一个宏，同样定义在 <sched.h> 头文件中，用于将指定编号的 CPU 核心添加到 cpu_set_t 类型的集合中。
    • 参数：cpu 的有效取值范围要介于 0 和 CPU_SETSIZE - 1 之间，CPU_SETSIZE 同样是定义在 <sched.h> 里的宏，它规定了 cpu_set_t 集合所能表示的最大 CPU 数量。
    • 示例代码：CPU_SET(2, &cpus)，将编号为2的 cpu 添加到 cpus 集合中，意味着后续要让线程在这个 CPU 2 核心上运行。

  • pthread_attr_setaffinity_np(&tattr, sizeof(cpus), &cpus);

    • 功能：pthread_attr_setaffinity_np 是一个非标准（_np 表示非可移植）的函数，用于设置线程属性对象的 CPU 亲和性。该函数会将指定线程属性对象关联的线程限制在 cpus 集合所包含的 CPU 核心上运行。
3. pthread_create()函数创建实时线程

pthread_create 是 POSIX 中的一个标准函数，用于创建并立即启动一个新的线程。

c 复制代码 
		ret = pthread_create(&latency_task, &tattr, latency, NULL);
		if (ret)
			error(1, ret, "pthread_create(latency)");

参数说明：

  • 参数1：&latency_task：

    • 指向 pthread_t 类型变量 latency_task 的指针，新创建线程的线程 ID 会存储在该变量中。

  • 参数2：&tattr

    • 指向 pthread_attr_t 类型变量 tattr 的指针，该变量已经通过 setup_sched_parameters 函数配置了线程的调度策略和优先级等属性。

  • 参数3：latency

    • 新线程启动时要执行的函数，函数原型为 void *latency(void *cookie)。
    • void *latency(void *cookie) 函数执行后，会设置子线程的名称为sampling-%d，其中%d传入的是子线程的PID。

  • 参数4：NULL

    • 传递给 latency 函数的参数，这里表示不传递额外参数。
4. 实时线程display的特殊性

除了实时线程sampling之外，latency也用相同的方式创建了实时线程display，但是有一处不同：实时线程display的优先级是0。

当优先级为0时，调用 pthread_attr_setschedpolicy 函数设置的调度策略为SCHED_OTHER（默认的分时调度策略）。这也意味着，实时线程display在Xenomai中的调度策略为xnsched_class_weak，属于弱实时调度类。

考虑到实时线程display的作用，主要是频繁的向终端打印信息，选择优先级为0是恰当的，可以避免影响实时线程sampling的实时性！

4.7.3 主线程的处理

主线程一般不会执行实时任务，而是

c 复制代码 
int main(int argc, char *const *argv)
{
  ...snip...

  sigemptyset(&mask);
  sigaddset(&mask, SIGINT);
  sigaddset(&mask, SIGTERM);
  sigaddset(&mask, SIGHUP);
  sigaddset(&mask, SIGALRM);
  pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);

  ...snip...

  __STD(sigwait(&mask, &sig));
	finished = 1;

	cleanup();

	return 0;
}
1. 阻塞指定信号
c 复制代码 
  sigemptyset(&mask);
  sigaddset(&mask, SIGINT);
  sigaddset(&mask, SIGTERM);
  sigaddset(&mask, SIGHUP);
  sigaddset(&mask, SIGALRM);
  pthread_sigmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);

  • sigemptyset函数

    • 功能：sigemptyset 是一个函数，定义在 <signal.h> 头文件中，用于将 sigset_t 类型的信号集 mask 初始化为空集。这意味着在调用该函数之后，mask 信号集中不包含任何信号。
    • 参数：&mask 是 sigset_t 类型变量 mask 的地址，函数会对该地址指向的信号集进行操作。

  • sigaddset函数

    • 功能：sigaddset 函数同样定义在 <signal.h> 头文件中，用于将指定的信号添加到 sigset_t 类型的信号集中。
    • 参数：&mask 是信号集 mask 的地址，后面的信号常量表示要添加到信号集中的信号。
    • 这几行代码分别将 SIGINT、SIGTERM、SIGHUP 和 SIGALRM 信号添加到 mask 信号集中。
      • SIGINT：通常是用户按下 Ctrl+C 时发送给进程的中断信号。
      • SIGTERM：用于请求进程正常终止的信号，是系统关机或 kill 命令默认发送的信号。
      • SIGHUP：终端断开连接时发送给进程的信号，也可用于通知进程重新加载配置。
      • SIGALRM：定时器到期时发送的信号，在代码里由 alarm 函数触发。

  • pthread_sigmask函数

    • 功能：pthread_sigmask 函数定义在 <pthread.h> 头文件中，用于设置线程的信号掩码。信号掩码决定了哪些信号会被阻塞，即线程暂时不会响应这些信号。这里 SIG_BLOCK 表示将 mask 信号集中的信号添加到当前线程的信号掩码中，从而阻塞这些信号。
    • 参数：
      • SIG_BLOCK：操作标志，表示将指定信号集添加到当前信号掩码中。
      • &mask：指向要添加的信号集的指针。
      • NULL：若不需要获取之前的信号掩码，可传入 NULL。
2. 等待被阻塞的信号

使用 sigwait 函数来等待被阻塞的信号: SIGINT、SIGTERM、SIGHUP 和 SIGALRM 。sigwait 函数会阻塞当前线程，直到 set 信号集中的某个信号被递送。

c 复制代码 
__STD(sigwait(&mask, &sig));
  • 参数说明
    • set：指向 sigset_t 类型信号集的指针，该信号集指定了 sigwait 函数要等待的信号集合。
    • sig：指向 int 类型变量的指针，用于存储实际接收到的信号编号。当 sigwait 函数返回时，这个变量会被赋值为接收到的信号值。

为了让 sigwait 正常工作，调用该函数的线程需要先阻塞 set 信号集中的所有信号，否则信号可能会被默认的信号处理函数处理，而不会被 sigwait 捕获。一旦 set 信号集中的某个信号被递送，sigwait 函数会解除阻塞，将接收到的信号编号存储到 sig 指向的变量中，然后返回 0 表示成功。

在latency的main函数中，sigwait(&mask, &sig) 会阻塞主线程，并使得主线程切换到此模式运行。次模式是指线程由标准 Linux 内核调度的状态。

bash 复制代码 
$ cat /proc/xenomai/sched/threads
CPU  PID    CLASS  TYPE      PRI   TIMEOUT       STAT       NAME
  0  0      idle   core       -1   -             R          [ROOT/0]
  1  0      idle   core       -1   -             R          [ROOT/1]
  2  0      idle   core       -1   -             R          [ROOT/2]
  3  0      idle   core       -1   -             R          [ROOT/3]
  0  523    rt     cobalt      0   -             X          latency
  0  525    rt     cobalt      0   -             W          display-523
  0  526    rt     cobalt     99   -             Wt         sampling-523

查看主线程latency的STAT字段，它处于X状态，代表其运行在次模式。

状态 定义 bit位 含义
X XNRELAX 0x00000080 处于secondary模式（非实时上下文）

如果用户按下 Ctrl+C 发送 SIGINT 信号、使用 kill 命令发送 SIGTERM 信号、终端断开发送 SIGHUP 信号或者 alarm 定时器到期发送 SIGALRM 信号，当接收到这些信号中的任意一个时，sigwait 解除阻塞，将接收到的信号编号存于 sig 变量。

随后程序把 finished 标记设为 1，并调用 cleanup 函数进行资源清理和测试结果输出，最后正常退出。这样做能让程序统一处理终止信号，保证资源正确释放。

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