用户线程还是内核线程，pthread到底是哪个？

Posted 2021-03-07 jo3yzhu

用户线程和内核线程

现代操作系统中，实现线程库有两种方法：在用户空间中和在内核空间中。

用户线程

整个线程包的实现都在用户空间的话，就意味着操作系统内核对它一无所知，只知道他是一个普通的需要调度的进程。协程就是一种用户线程的实现，可以满足在一个内核线程上并发执行多个任务，coroutine和goroutine都是其典型实现。
用户线程的优点很明显：

1. 并发性能好（因为不用陷入内核，切换速度至少快一个数量级）；
2. 可以自定义调度算法；
3. 扩展性较好
   但与之而来也有明显的缺点：
4. 使用的系统调用必须是非阻塞的，因为如果使用了阻塞的系统调用，那么将陷入内核，用户线程的调度立即停止，进程下所属的所有用户线程将被停止（但是现在的linux已经可以把fd设置为非阻塞了）；
5. 线程调度无法抢占，除非某个线程主动放弃CPU，其他线程才有能获得CPU的机会。因为在进程内部没有时钟中断（内核里才有），所以无法进行轮转调度，可以做一个goroutine的实现，当一个goroutine里面死循环while(1)的时候，其他的goroutine都处于饥饿状态；
6. （我自己的理解）如果用户线程的实现是1:N的模型，那么这样的用户级线程无法有效的利用多核（当然如果开启多个进程是可以利用多核的，但这样也就不是1:N模型了，是N:M模型）

7. 还得自己实现调度

   内核线程

   内核线程实现的是1:1的模型,缺点在于：
8. 切换的开销比较大（可能比用户线程高一个数量级）
9. 只能由内核进行调度
   有点也很明显：
10. 可以充分利用多核

11. 不需要自己写调度

    pthread到底是内核线程库还是用户线程库

    代码测试

    前面已经有提到，内核线程可以充分利用多核，而用户线程只能通过多开进程的方式来利用多核。在Ubuntu下编写测试代码如下：

#include <pthread.h>
void* thread_func(void* ptr)
{
    while(1);
}
int main()
{
    pthread_t threads[MAX_THREAD_NUM];
    for(int i = 0; i< MAX_THREAD_NUM; i++)
    {
        pthread_create(&threads[i], NULL, thread_func, NULL);
    }

    for(int i = 0; i< MAX_THREAD_NUM; i++)
    {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }

    return 0;
}

测试结论

测试用机是6C6T，所以操作系统可见的核心数是6（有超线程的CPU的可见核心数是12），将MAX_THREAD_NUM设置为6时，top命令结果如下：

第二行CPU的us（CPU的用户时间占比）和sy（CPU的内核时间占比）之和加起来几乎等于100，说明CPU现在几乎满载，进程的%CPU也几乎达到600%，说明6核心基本都吃满了。
将MAX_THREAD_NUM设置为5时，top命令结果如下：

可以看到CPU大致占用了5/6。结合我们这里只开启了一个进程，所以pthread库的线程不可能是用户线程，只可能是内核线程。

番外

因为Linux的调度单位是线程而不是进程，所以一个进程才能够做到同时在6个核心上运行。实际上，Linux将一个多线程的进程中的每个线程都当做单线程进程来调度，此结论参考：
Stackoverflow