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三分钟基础:用户级线程和内核级线程有什么区别?

来源:tobe的呓语

作者:tobe

小白最近在学习多线程编程。

网上关于多线程的资料很多,小白很快就把线程的基本概念弄懂了,但关于「用户级线程和内核级线程」的概念,她却怎么也搞不清楚,只好向操作系统基础扎实的小明请教。

ps:听说小白看的是这篇文章——三分钟基础知识:线程的来龙去脉,你了解吗?

对于小白的问题,小明总会耐心解答:“线程里面这两个概念确实比较难理解,我先给你讲用户级线程吧。”

用户级线程

“既然你已经看过线程的基本概念,那我就直接跳过这一部分了。很久很久之前,线程的概念是出现了,但操作系统厂商可不能直接就去修改操作系统的内核,因为对他们来说,稳定性是最重要的。贸然把未经验证的东西加入内核,出问题了怎么办?所以想要验证线程的可用性,得另想办法。”

“我知道我知道,那些研究人员就编写了一个关于线程的函数库,用函数库来实现线程!”小白得意的说:“这个我刚刚在网上看到了。”

“是的,他们把创建线程终止线程等功能放在了这个线程库内,用户就可以通过调用这些函数来实现所需要的功能。”小明找了张纸,写上了几个函数:pthread_creatpthread_exitpthread_joinpthread_yield ,接着说:“这是几个重要的功能,我马上会讲到,你应该能大概猜出这些函数的功能吧?”

“emmmm,让我想想,pthread_creat 是创建一个新线程,pthread_exit 是结束线程,pthread_join 嘛,我猜是准备运行,最后一个,我就不知道了。”

“不知道也没关系,一会你就清楚了。”小明接着讲:“要知道,刚刚我们说的线程库,是位于用户空间的,操作系统内核对这个库一无所知,所以从内核的角度看,它还是按正常的方式管理。”

小白问道:“也就是说操作系统眼里还是只有进程喽?那我用线程库写的多线程进程,只能一次在一个 CPU 核心上运行?”

小明点点头,说:“你说的没错,这其实是用户级线程的一个缺点,这些线程只能占用一个核,所以做不到并行加速,而且由于用户线程的透明性,操作系统是不能主动切换线程的,换句话讲,如果线程 A 正在运行,线程 B 想要运行的话,只能等待 A 主动放弃 CPU,也就是主动调用 pthread_yield 函数。”

tobe 注:对操作系统来说,用户级线程具有不可见性,也称透明性

“停一下,让我想一想,”小白飞速思考着小明的话,“是不是说,即使有线程库,用户级线程也做不到像进程那样的轮转调度?”

“非常正确!看来你对进程的概念很清楚嘛。不过呢,虽然不能做到轮转调度,但用户级线程也有他自己的好处——你可以为你的应用程序定制调度算法,毕竟什么时候退出线程你自己说了算。刚刚说了,因为操作系统只能看到进程的存在,那如果某一个线程阻塞了,你觉得会发生什么?”

“在操作系统眼里,是进程阻塞了,那么整个进程就会进入阻塞态,在阻塞操作结束前,这个进程都无法得到 CPU 资源。那就相当于,所有的线程都被阻塞了。”小白得意的回答。

“没错,所以如果任由线程进行阻塞操作,进程的效率将受到很大的影响,所以在这个过程中,出现了一个替代方案——jacket。所谓 jacket,就是把一个产生阻塞的系统调用转化成一个非阻塞的系统调用。”

小白惊讶地问:“这怎么做得到?该阻塞的调用,还能变得不阻塞?”

小明答道:“我来举个例子吧,不是直接调用一个系统 I/O 例程,而是调用一个应用级别的 I/O jacket 例程,这个 jacket 例程中的代码会检查并且确定 I/O 设备是不是正忙,如果忙的话,就在用户态下将该线程阻塞,然后把控制权交给另一个线程。隔一段时间后再次检查 I/O 设备。就像你说的,最后还是会执行阻塞调用,但使用 jacket 可以缩短被阻塞的时间。不过有些情况下是可以不被阻塞的,取决于具体的实现。”

小明停顿了一会,说:“用户级线程的概念大概就这么多,我们接下来讲内核级线程吧。”

内核级线程

“有了用户级线程的铺垫,内核级线程就好讲多了。现在我们知道,许多操作系统都已经支持内核级线程了。为了实现线程,内核里就需要有用来记录系统里所有线程的线程表。当需要创建一个新线程的时候,就需要进行一个系统调用,然后由操作系统进行线程表的更新。当然了,传统的进程表也还是有的。你想想看,如果操作系统「看得见」线程,有什么好处?“

小白自信的回答:“操作系统内核如果知道线程的存在,就可以像调度多个进程一样,把这些线程放在好几个 CPU 核心上,就能做到实际上的并行了。”

“还有一点你没有说到,如果线程可见,那么假如线程 A 阻塞了,与他同属一个进程的线程也不会被阻塞。这是内核级线程的绝对优势。”

“那内核级线程就没有什么缺点吗?”

“缺点当然是有的,你想想看,让操作系统进行线程调度,那意味着每次切换线程,就需要「陷入」内核态,而操作系统从用户态到内核态的转变是有开销的,所以说内核级线程切换的代价要比用户级线程大。还有很重要的一点——线程表是存放在操作系统固定的表格空间或者堆栈空间里,所以内核级线程的数量是有限的,扩展性比不上用户级线程。”

"内核级线程就这么点东西,我最后给你留一张图,你要是能看得懂,就说明你理解今天的概念了。"

“我肯定能看懂!”

本文分享自微信公众号 - 苦逼的码农(di201805)

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原始发表时间:2019-11-22

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