Linux实时线程：唤醒与创建，谁更高效？

2024-07-22 22:07:19

在实时Linux系统中，毫秒级的响应时间是许多应用的命脉。对于肩负重任的实时线程，每一次操作的执行时间都至关重要。本文将深入探讨实时线程中两种常见操作——唤醒等待信号量的线程和直接创建新线程——的效率差异，并结合实际场景，帮助读者做出明智选择。

问题聚焦：实时控制与资源消耗

想象一下，一个运行在Linux系统的应用中，有一个负责实时控制的线程，它需要每隔200微秒精确地执行一次任务，并及时输出结果。为了保证实时性，这个线程被赋予了抢占式调度策略，在树莓派3这类资源有限的设备上运行良好。内存占用并非瓶颈，CPU使用率才是我们需要密切关注的指标。

在某些情况下，这个实时线程需要触发另一个任务的执行。这个任务虽然计算量较大，但并非实时任务，不需要抢占CPU资源。

面对这种情况，我们面临着两种选择：

每次需要执行非实时任务时，都调用pthread_create函数创建一个新的线程。
预先创建一个非实时任务线程，让它在互斥锁/信号量上等待，由实时线程解锁/发送信号唤醒它。

哪种方案在实时线程中消耗的CPU时间更少？是否存在更优的解决方案？

方案A：频繁创建线程，简单直接，代价高昂

优点：

代码实现简单直观。

缺点：

每次创建线程都伴随着资源分配的开销，包括内核资源、堆栈空间等。
线程销毁同样需要时间，系统需要回收被释放的资源。
频繁地创建和销毁线程会加重系统负担，拖慢实时线程的脚步。

方案B：线程复用，以同步机制换取效率提升

优点：

只需创建一次线程，节省了反复创建和销毁的开销。
通过信号量机制，可以灵活地控制非实时线程的执行时机。

缺点：

需要引入信号量等同步机制，代码复杂度略有增加。

代码示例：两种方案的直观对比

为了更清晰地比较两种方案，我们来看一段代码示例。

方案 A：

void* not_real_time_thread(void* args) {
    // 执行非实时任务
    return (void*) EXIT_SUCCESS;
}

void* real_time_thread(void* args) {
    // ...
    int trigger_other_task = 0;
    pthread_t not_real_time_thread_handle;
    pthread_attr_t thread_attrs;    // 线程属性
    // 初始化线程属性

    // 实时任务部分
    while(running) {
        // 执行实时任务
        if(trigger_other_task) {
            pthread_create(&not_real_time_thread_handle, &thread_attrs, not_real_time_thread, NULL);
        }
        // ...
    }
    // ...
    return (void*) EXIT_SUCCESS;
}

方案 B：

int g_running;
sem_t g_semaphore;

void* not_real_time_thread(void* args) {
    while(g_running) {
        sem_wait(&g_semaphore);
        // 执行非实时任务
    }
    return (void*) EXIT_SUCCESS;
}

void* real_time_thread(void* args) {
    // ...
    int trigger_other_task = 0;
    sem_init(&g_semaphore, 0, 0);
    pthread_t not_real_time_thread_handle;
    pthread_attr_t thread_attrs;    // 线程属性
    // 初始化线程属性
    pthread_create(&not_real_time_thread_handle, &thread_attrs, not_real_time_thread, NULL);

    // 实时任务部分
    while(g_running) {
        // 执行实时任务
        if(trigger_other_task) {
            sem_post(&g_semaphore);
        }
        // ...
    }
    // ...
    sem_destroy(&g_semaphore);
    return (void*) EXIT_SUCCESS;
}