聊聊线程模型：用户线程和内核线程

Posted 2021-04-13 吉姆餐厅ak

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了聊聊线程模型：用户线程和内核线程相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

概述

在以前的操作系统中，没有线程的概念。进程是资源分配和调度的最小单元。引入线程的概念以后，线程则是资源调度和分配的最小单元。引入线程的好处是可以提供并发量。在多核时代，一个进程可以做到真正的多线程并行。

线程又分为用户线程和内核线程。

用户线程：语言层面创建的线程，比如 java语言中多线程技术，通过语言提供的线程库来创建、销毁线程。
内核线程：内核线程又称为守护线程或 Daemon线程，用户线程的运行必须依赖内核线程，通过内核线程调度器来分配到相应的处理器上。

多对一模型

用户级线程仅存在于用户空间中，此类线程的创建、撤销、线程之间的调度与通信，都无须通过内核来实现。用户进程利用语言层面提供的线程库来控制用户线程。由于线程在进程内切换的规则远比进程调度和切换的规则简单，不需要用户态/核心态切换，所以切换速度快。

优点：
在进程1中，线程的切换只需要依赖线程库，不需要依赖内核。相较于CPU在内核直接的切换，这种实现方式很轻量级，对系统资源消耗会小很多。所以，频繁的创建和销毁线程的成本也并不高。很明显，java中不是这么线程模型，java在使用线程时提倡避免创建和销毁线程。

缺点：
如果进程内的某一个线程发生阻塞，那整个进程就阻塞了。如上图，进程1绑定在内核线程1上，用户进程内只有线程2在运行。如果线程2阻塞，那整个进程1就阻塞了，因为内核并不知道线程1和线程3的存在。

一对一模型

在 1:1 模型中，启动一个用户线程，就会同时创建一个内核线程（注意，这里是启动线程，不是创建线程）。
每个用户线程在其整个生命周期内，都会被映射或绑定到一个内核线程上。当用户线程声明周期结束，两个线程则一起退出。无论是用户进程的线程，或者是系统进程的线程，他们的创建、撤销、切换都是依靠内核实现的。所以该模式下，CPU在线程的切换开销比较大。

Java 语言采用的便是这种线程模型。

优点：
1）在多处理器中，能够实现同一个进程中，多个线程同时并行。
2）当一个线程阻塞时，同一个进程中的其他线程可以继续运行，并发能力比较强。

缺点：
每个用户线程的启动和运行都必须创建一个内核线程，不适合频繁的创建和销毁。

多对多模型

多对多模型是从上面两种模型演进而来。线程创建完全在用户空间中完成，线程的调度和同步也在应用程序中进行. 一个应用程序中的多个用户级线程被映射到一些（小于或等于用户级线程的数目）内核级线程上。

如上图：线程1和线程2同时绑定到内核线程1上，如果线程1因为系统调用发生阻塞，进程1则会调度线程2执行，充分利用内核线程资源。多对多模型依赖自身调度与系统调度协同工作，而且并不是所有操作系统都支持多对多的混合模型，操作系统内核开发者一般不会使用，所以更多时候是作为第三方库的形式出现，而Go语言中的runtime调度器就是采用的这种实现方案。

协程

协程可以理解就是一种用户空间线程。拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈，通过这种方式可以实现协程见的协作执行。
聊聊线程模型：用户线程和内核线程
目前主流语言基本上都选择了多线程抢占式执行模型，抢占式调度执行顺序无法确定，所以使用线程时需要非常小心地处理同步问题，而协程完全不存在这个问题。协程可以由程序员自己写的调度策略，其通过协作而不是抢占来进行切换。另外协程是在用户态完成创建，切换和销毁，不需要绑定内核，成本相对较低。