内核线程与用户线程

Posted 2023-02-03 飞雪天龙

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前言

• linux内核不存在整真正意义上的线程。linux将所有的执行实体都称之为任务（task），每一个任务在干年上都类似于一个单线程的进程，具有内存空间、执行实体、文件资源等。但是，linux下不同任务之间可以选择公用内存空间，因而在实际意义上，共享同一个内存空间的多个任务构成了一个进程，而这些任务就成为这个任务里面的线程。

内核线程

• 内核线程又称为守护进程，内核线程的调度由内核负责，一个内核线程处于阻塞状态时不影响其他的内核线程，因为其是调度的基本单位。这与用户线程是不一样的；
• 这些线程可以在全系统内进行资源的竞争；
• 内核空间内为每一个内核支持线程设置了一个线程控制块（TCB），内核根据该控制块，感知线程的存在，并进行控制。在一定程度上类似于进程，只是创建、调度的开销要比进程小。有的统计是1：10。
• 内核线程切换由内核控制，当线程进行切换的时候，由用户态转化为内核态。切换完毕要从内核态返回用户态，即存在用户态和内核态之间的转换，比如多核cpu，还有win线程的实现。

  优点

  在多处理器系统中，内核能够同时调度同一进程中多个线程并行执行到多个处理器中；如果进程中的一个线程被阻塞，内核可以调度同一个进程中的另一个线程；内核支持线程具有很小的数据结构和堆栈，线程的切换比较快，切换开销小；内核本身也可以使用多线程的方式来实现。

  缺点

  即使CPU在同一个进程的多个线程之间切换，也需要陷入内核，因此其速度和效率不如用户级线程。

用户线程

• 用户线程在用户空间中实现，内核并没有直接对用户线程进程调度，内核的调度对象和传统进程一样，还是进程（用户进程）本身，内核并不能看到用户线程，内核并不知道用户线程的存在。
• 不需要内核支持而在用户程序中实现的线程，其不依赖于操作系统核心，应用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。
• 内核资源的分配仍然是按照进程（用户进程）进行分配的；各个用户线程只能在进程内进行资源竞争。
• 用户级线程内核的切换由用户态程序自己控制内核切换（通过系统调用来获得内核提供的服务）,不需要内核干涉，少了进出内核态的消耗，但不能很好的利用多核Cpu。目前Linux pthread大体是这么做的。
• 每个用户线程并不具有自身的线程上下文。因此，就线程的同时执行而言，任意给定时刻每个进程只能够有一个线程在运行，而且只有一个处理器内核会被分配给该进程。

  优点

  线程的切换无需陷入内核，故切换开销小，速度非常快；

  缺点

  系统调用的阻塞问题：对应用程序来讲，同一进程中只能同时有一个线程在运行，一个线程的阻塞将导致整个进程中所有线程的阻塞；由于这里的处理器时间片分配是以进程为基本单位，所以每个线程执行的时间相对减少。

用户级线程和内核级线程的区别：

• 内核支持：用户级线程可在一个不支持线程的OS中实现；内核支持线程则需要得到OS内核的支持。亦即内核支持线程是OS内核可感知的，而用户级线程是OS内核不可感知的。
• 处理器分配：在多处理机环境下，对用户级线程而言主，内核一次只为一个进程分配一个处理器，进程无法享用多处理机带来的好处；在设置有内核支持线程时，内核可调度一个应用中的多个线程同时在多个处理器上并行运行，提高程序的执行速度和效率。
• 调度和线程执行时间：设置有内核支持线程的系统，其调度方式和算法与进程的调度十分相似，只不过调度单位是线程；对只设置了用户级线程的系统，调度的单位仍为进程。
• 用户级线程执行系统调用指令时将导致其所属进程被中断，而内核支持线程执行系统调用指令时，只导致该线程被中断。
• 在只有用户级线程的系统内，CPU调度还是以进程为单位，处于运行状态的进程中的多个线程，由用户程序控制线程的轮换运行；在有内核支持线程的系统内，CPU调度则以线程为单位，由OS的线程调度程序负责线程的调度。

内核线程与用户线程的联系

一对一模型

• 特点

  有了内核线程，每个用户线程被映射或绑定到一个内核线程。用户线程在其生命期内都会绑定到该内核线程。一旦用户线程终止，两个线程都将离开系统。这被称作"一对一"线程映射。（反过来，一个内核线程不一定就会对应一个用户线程）。一般一直使用API或者是系统调用创建的线程均为一对一线程。例如，linux使用clone创建的线程，以及win下使用CreateThread创建的线程。

• 弊端

  内核线程数量有限
  许多操作系统内核线程调用的时候，上下文切换的开销很大。

混合线程模型

混合线程实现是用户线程和内核线程的交叉，使得库和操作系统都可以管理线程。用户线程由运行时库调度器管理，内核线程由操作系统调度器管理。在这种实现中，进程有着自己的内核线程池。可运行的用户线程由运行时库分派并标记为准备好执行的可用线程。操作系统选择用户线程并将它映射到线程池中的可用内核线程。多个用户线程可以分配给相同的内核线程。

• 多对一模型

• 特点

  多对一的模型将多个用户线程映射到一个内核线程。
  多对一模型线程的切换速度要快很多（线程之间的切换由用户代码来执行）

• 弊端

  如果其中一个线程阻塞，那么所有线程将无法执行。

• 多对多模型

• 特点

  将上述两种模型的特点进行综合，即将多个用户线程映射到少数但不只一个内核线程中去。
  多对多模型对用户线程的数量没有什么限制，在多处理器系统上也会有一定的性能提升，不过提升的幅度比不上一对一模型。

文／popsheng（简书作者）
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