這篇文章是上一篇博客的補(bǔ)充，旨在把沒有講清楚的「用戶級線程和內(nèi)核級線程」補(bǔ)充完整。希望讀者能對線程有更進(jìn)一步的了解。
小白最近在學(xué)習(xí)多線程編程。
網(wǎng)上關(guān)于多線程的資料很多，小白很快就把線程的基本概念弄懂了，但關(guān)于「用戶級線程和內(nèi)核級線程」的概念，她卻怎么也搞不清楚，只好向操作系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實(shí)的小明請教。
對于小白的問題，小明總會耐心解答：“線程里面這兩個概念確實(shí)比較難理解，我先給你講用戶級線程吧?！?/p>
用戶級線程
“既然你說你已經(jīng)看過線程的基本概念，那我就直接跳過這一部分了。
很久很久之前，線程的概念是出現(xiàn)了，但操作系統(tǒng)廠商可不能直接就去修改操作系統(tǒng)的內(nèi)核，因?yàn)閷λ麄儊碚f，穩(wěn)定性是最重要的。貿(mào)然把未經(jīng)驗(yàn)證的東西加入內(nèi)核，出問題了怎么辦？所以想要驗(yàn)證線程的可用性，得另想辦法?！?/p>
“我知道我知道，那些研究人員就編寫了一個關(guān)于線程的函數(shù)庫，用函數(shù)庫來實(shí)現(xiàn)線程！”小白得意的說：“這個我剛剛在網(wǎng)上看到了?！?/p>
“是的，他們把創(chuàng)建線程、終止線程等功能放在了這個線程庫內(nèi)，用戶就可以通過調(diào)用這些函數(shù)來實(shí)現(xiàn)所需要的功能?！毙∶髡伊藦埣垼瑢懮狭藥讉€函數(shù)：pthread_creat ，pthread_exit ，pthread_join ，pthread_yield ，接著說：“這是幾個重要的函數(shù)，你應(yīng)該能大概猜出這些函數(shù)的功能吧？”
“emmmm，讓我想想，pthread_creat 是創(chuàng)建一個新線程，pthread_exit 是結(jié)束線程，pthread_join 嘛，我猜是準(zhǔn)備運(yùn)行某一個線程，然后把它加進(jìn)就緒隊列。最后一個函數(shù)我就不知道了?！?/p>
“不知道也沒關(guān)系，一會你就清楚了?！毙∶鹘又v：“要知道，剛剛我們說的線程庫，是位于用戶空間的，操作系統(tǒng)內(nèi)核對這個庫一無所知，所以從內(nèi)核的角度看，它還是按正常的方式管理?！?/p>
小白問道：“也就是說操作系統(tǒng)眼里還是只有進(jìn)程嘍？那我用線程庫寫的一個多線程進(jìn)程，只能一次在一個 CPU 核心上運(yùn)行？”
小明點(diǎn)點(diǎn)頭，說：“你說的沒錯，這其實(shí)是用戶級線程的一個缺點(diǎn)，這些線程只能占用一個核，所以做不到并行加速，而且由于用戶線程的透明性，操作系統(tǒng)是不能主動切換線程的，換句話講，如果 A，B 是同一個進(jìn)程的兩個線程的話， A 正在運(yùn)行的時候，線程 B 想要運(yùn)行的話，只能等待 A 主動放棄 CPU，也就是主動調(diào)用 pthread_yield 函數(shù)。”
tobe 注：對操作系統(tǒng)來說，用戶級線程具有不可見性，也稱透明性。
“停一下，讓我想一想，”小白飛速思考著小明的話，“是不是說，即使有線程庫，用戶級線程也做不到像進(jìn)程那樣的輪轉(zhuǎn)調(diào)度？”
“非常正確！看來你對進(jìn)程的概念很清楚嘛。不過呢，雖然不能做到輪轉(zhuǎn)調(diào)度，但用戶級線程也有他自己的好處——你可以為你的應(yīng)用程序定制調(diào)度算法，畢竟什么時候退出線程你自己說了算。剛剛說了，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)只能看到進(jìn)程的存在，那如果某一個線程阻塞了，你覺得會發(fā)生什么？”
“在操作系統(tǒng)眼里，是進(jìn)程阻塞了，那么整個進(jìn)程就會進(jìn)入阻塞態(tài)，在阻塞操作結(jié)束前，這個進(jìn)程都無法得到 CPU 資源。那就相當(dāng)于，所有的線程都被阻塞了?！毙“椎靡獾幕卮?。
“沒錯，所以如果任由線程進(jìn)行阻塞操作，進(jìn)程的效率將受到很大的影響，所以在這個過程中，出現(xiàn)了一個替代方案——jacket。所謂 jacket，就是把一個產(chǎn)生阻塞的系統(tǒng)調(diào)用轉(zhuǎn)化成一個非阻塞的系統(tǒng)調(diào)用。”
小白驚訝地問：“這怎么做得到？該阻塞的調(diào)用，還能變得不阻塞？”
小明答道：“我來舉個例子吧，不是直接調(diào)用一個系統(tǒng) I/O 例程，而是調(diào)用一個應(yīng)用級別的 I/O jacket 例程，這個 jacket 例程中的代碼會檢查并且確定 I/O 設(shè)備是不是正忙，如果忙的話，就在用戶態(tài)下將該線程阻塞，然后把控制權(quán)交給另一個線程。隔一段時間后再次檢查 I/O 設(shè)備。就像你說的，最后還是會執(zhí)行阻塞調(diào)用，但使用 jacket 可以縮短被阻塞的時間。不過有些情況下是可以不被阻塞的，取決于具體的實(shí)現(xiàn)?！?/p>
小明停頓了一會，說：“用戶級線程的概念大概就這么多，我們接下來講內(nèi)核級線程吧。”
內(nèi)核級線程
“有了用戶級線程的鋪墊，內(nèi)核級線程就好講多了。現(xiàn)在我們知道，許多操作系統(tǒng)都已經(jīng)支持內(nèi)核級線程了。為了實(shí)現(xiàn)線程，內(nèi)核里就需要有用來記錄系統(tǒng)里所有線程的線程表。當(dāng)需要創(chuàng)建一個新線程的時候，就需要進(jìn)行一個系統(tǒng)調(diào)用，然后由操作系統(tǒng)進(jìn)行線程表的更新。當(dāng)然了，傳統(tǒng)的進(jìn)程表也還是有的。你想想看，如果操作系統(tǒng)「看得見」線程，有什么好處？“
小白自信的回答：“操作系統(tǒng)內(nèi)核如果知道線程的存在，就可以像調(diào)度多個進(jìn)程一樣，把這些線程放在好幾個 CPU 核心上，就能做到實(shí)際上的并行了。”
“還有一點(diǎn)你沒有說到，如果線程可見，那么假如線程 A 阻塞了，與他同屬一個進(jìn)程的線程也不會被阻塞。這是內(nèi)核級線程的絕對優(yōu)勢?！?/p>
“那內(nèi)核級線程就沒有什么缺點(diǎn)嗎？”
“缺點(diǎn)當(dāng)然是有的，你想想看，讓操作系統(tǒng)進(jìn)行線程調(diào)度，那意味著每次切換線程，就需要「陷入」內(nèi)核態(tài)，而操作系統(tǒng)從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)變是有開銷的，所以說內(nèi)核級線程切換的代價要比用戶級線程大。還有很重要的一點(diǎn)——線程表是存放在操作系統(tǒng)固定的表格空間或者堆?？臻g里，所以內(nèi)核級線程的數(shù)量是有限的，擴(kuò)展性比不上用戶級線程?！?/p>
"內(nèi)核級線程就這么點(diǎn)東西，我最后給你留一張圖，你要是能看得懂，就說明你理解今天的概念了。"
小白得意地說：“我當(dāng)然看得懂了，謝謝小明！”
希望你在看完我的文章之后有所收獲。
感謝你的閱讀，我們后會有期！
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