用户空间实现线程 内核实现线程 线程的调度

Posted 2020-08-30 zzfx

http://blog.csdn.net/lujiandong1/article/details/44726373

1、在用户空间中实现线程

（1）特点：把整个线程包放在用户空间，内核对线程包一无所知。从内核角度考虑，就是按正常的方式管理，即单线程进程（存在运行时系统）

（2）优点：

1、用户级线程包可以在不支持线程的操作系统上实现。

2、线程切换至少要比陷入内核要快一个数量级。在线程完成运行时，它调用thread_yield可以把该线程的信息保存在线程表中；进而，它可以调用线程调度程序来选择另一个要运行的线程。保存该线程状态的过程和调度程序都只是本地过程，所以启动它们比进行内核调用效率更高。另一方面，不需要陷阱，不需要上下文切换，也不需要对内存高速缓存进行刷新，这使得线程调度非常快捷。

     在用户空间管理线程时，每个进程都需要有其专用的线程表，用来跟踪该进程中的线程。与进程表类似，线程表记录各个线程的属性，如每个线程的程序计数器，堆栈指针，寄存器和状态等，线程表由运行时系统管理，当一个线程转换到就绪状态或阻塞状态是，在该线程表中存放重新启动该线程所需的信息，与内核在进程表中存放进程的信息完全一样。

  当某个线程做了一些会引起在本地阻塞的事情之后，例如等待进程中另一个线程完成某些工作，它调用一个运行时系统的过程，这个过程检查该线程是否必须进入阻塞状态。如果是，它在线程表中保持该线程的寄存器，并查看表中可运行的就绪线程，并把新线程的保存值重新装入机器的寄存器中。只要堆栈指针和程序计数器一被切换，新线程就又自动投入运行。

(3) 允许每个进程有自己定制的调度算法。

(4) 具有较好的可扩展性，这是因为在内核空间中内核线程需要一些固定表格空间和堆栈空间，当内核线程的数量非常大，就会出现问题。

（3）缺点：

       线程发生I/O或页面故障引起的阻塞时，如果调用阻塞系统调用则内核由于不知道有多线程的存在，而会阻塞整个进程从而阻塞所有线程。注（阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。函数只有在得到结果之后才会返回。）

   在一个单独的进程内部，没有时钟中断，所以不能用轮转调度的方式调度线程。如果一个线程开始运行，那么在该进程中的其他线程就不能运行，除非第一个线程自动放弃CPU。

 

下面是线程包实现图

                

 

2、在内核中实现线程

（1）特点：

  在内核中实现线程，此时不再需要运行时系统。另外，每个进程中也没有线程表，相反，在内核中用来记录系统中所有线程的线程表。当一个线程阻塞时，内核可以根据其选择，可以运行同一个进程中的另一个线程，或者运行另一个进程中的线程。而在用户级线程中，运行时系统始终运行自己进程中的线程，直到内核剥夺它的CPU为止。当某个线程希望创建一个新线程或撤销一个已有线程时，它进行一个系统调用。在内核中实现线程时，内核必须维护两个表，传统的进程表以便跟踪进程的状态和线程表。

（2）优点：

        内核线程不需要任何新的，非阻塞系统调用。另外，如果某个进程中的线程引起了页面故障，内核可以很方便地检查该进程是否有任何其他可运行的线程，如果有，在等待所需要的页面从磁盘读入时，就选择一个可运行的线程运行。

（3）内核级线程的缺点是：应用程序线程在用户态运行，而线程调度和管理在内核实现。在同一进程中，控制权从一个线程转移到另一个线程，需要用户态-内核态-用户态的模式切换，系统开销较大。（应用程序线程和线程调度管理，都在同一进程内）

综上：用户级线程和内核级线程之间的差别在于性能。用户级线程的切换需要少量的机器指令，而内核级线程需要完整的上下文切换，修改内存映像，使高速缓存失效，这导致了若干数量级的延迟。另一方面，在使用内核级线程时，一旦线程阻塞在I/O就不需要像在用户级线程中那样将整个进程挂起。

       所有能够阻塞线程的调用都以系统调用的形式实现，代价可观。当一个线程阻塞时，内核根据选择可以运行另一个进程的线程，而用户空间实现的线程中，运行时系统始终运行自己进程中的线程。说明：由于内核创建线程代价大，故有线程回收。

线程调度

      当若干进程都有多个线程时，存在两个层次的并行，进程和线程。这样的系统中调度处理有本质的区别，是用户级线程还是内核级线程。

      对于用户级线程，内核并不知道有线程存在，所以内核还是和以前一样地操作，选取一个进程，假设为A，并给予A时间片控制，A的线程调度程序决定哪个线程运行，假设为A1。由于多道线程不存在时钟中断，所以，这个线程可以按其意愿任意运行多长时间。如果该线程用完了进程的全部时间片，内核就会选择另一个进程运行。

      在线程A终于又一次运行时，线程A1会接着运行。该线程会继续耗费A进程的所有时间，直到它完成工作。不过，该线程的这种不合群的行为不会影响到其他的进程。其他进程会得到调度程序所分配的合适份额，不会考虑进程A内部所发生的事。但是，用户级线程缺乏一个时钟将运行过长的线程加以中断。

       对于内核级线程而言，内核选择一个特定的线程运行，它不用考虑该线程属于哪个进程，不过，如果有必要的话，它可以这样做。对被选择的线程赋予一个时间片，而且，如果超过了时间片，就会强制挂起该线程。