线程实现的两种方式——用户空间和内核中

本文深入探讨了在用户空间和内核中实现线程的不同方式,包括各自的优缺点和核心机制。用户空间线程允许在不支持线程的操作系统上实现,提供高效启动和快速调用,但线程阻塞可能导致进程整体阻塞。内核级线程通过系统调用创建和管理,能够避免进程阻塞,但在创建和销毁线程时成本较高。文章还讨论了信号处理机制,以及如何在混合实现中利用用户级和内核级线程的优势。
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1、在用户空间中实现线程

(1)特点: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

用户级线程包可以在不支持线程的操作系统上实现

保存线程状态的过程和调用程序都只是本地过程,故启动它们比进程内核调用效率更高

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,使得线程调用非常快捷

(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

一个单独的进程内部,没有时钟中断,所以不可能用轮转调度的方式调度线程

2、在内核中实现线程

(1)特点

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

(2)优点

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

3、信号是发给进程而不是线程的,当一个信号到达时,应该由哪一个线程处理它?线程可以“注册”它们感兴趣的信号。但如果两个或更多的线程注册了相同的信号,会发生什么呢?


下面是线程包实现图



4、混合实现

在这种模型中,每个内核级线程有一个可以轮流使用的用户级线程集合


补充:在用户级线程中,每个进程里的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时,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的进程的信息完全一样


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GPT-SoVITS 是一个开源的文本到语音(TTS)和语音转换模型,它结合了 GPT 的生成能力和 SoVITS 的语音转换技术。该项目以其强大的声音克隆能力而闻名,仅需少量语音样本(如5秒)即可实现高质量的即时语音合成,也可通过更长的音频(如1分钟)进行微调以获得更逼真的效果

### 用户线程内核线程的主要区别 用户线程内核线程是操作系统中两种不同的线程实现方式,它们在管理、调度以及性能方面存在显著差异。 #### 主要区别 1. **位置与控制** - 用户线程完全由应用程序库管理,在用户空间运行,不依赖于操作系统的支持[^1]。 - 内核线程则是在内核空间中创建并由操作系统直接管理调度[^2]。 2. **上下文切换开销** - 用户线程的上下文切换发生在用户态下,因此其开销较小,不需要涉及内核模式转换[^3]。 - 内核线程由于需要进入内核进行调度,每次切换都会引发较高的系统调用成本[^4]。 3. **多处理器环境下的利用能力** - 单一进程内的多个用户线程无法被分配到不同CPU核心上执行;只有当这些线程映射至至少一个内核线程时才可能实现真正的并发处理[^5]。 - 多个内核线程可以轻松分布在各个可用的核心之上以达到高效并行计算的目的[^6]。 4. **阻塞行为的影响范围** - 如果某个用户线程发生I/O等待或其他形式的操作受阻,则整个进程中所有的其他用户线程也会随之暂停直到该事件完成为止[^7]。 - 对应地,如果某条内核线程陷入睡眠状态或者遭遇延迟情况,仅此单一实体受到影响而不会波及其他关联成员[^8]。 --- ### 各自优缺点分析 #### 用户线程的优点 - 更低的创建销毁代价:因为无需介入复杂的底层机制所以效率更高[^9]。 - 减少了因频繁穿越边界所造成的额外负担从而提升了整体吞吐量表现[^10]。 #### 用户线程的缺点 - 缺乏对硬件资源充分利用的能力——即不能跨多核同时作业[^11]。 - 当任意单一线程遇到长时间耗时任务(比如磁盘读写)就会拖累其余同伴共同停滞下来[^12]。 #### 内核线程的优点 - 支持真正意义上的平行运作模型以便更好地发挥现代计算机架构优势[^13]。 - 提供更灵活可控的服务质量保障措施来应对各种突发状况的发生概率降低风险水平[^14]。 #### 内核线程的缺点 - 较高的初始化费用加上持续维护过程中产生的固定支出使得总体经济性相对较差一些[^15]。 - 需求更多内存区域用于保存必要数据结构进而增加了物理存储器的压力程度[^16]。 ```c++ // 创建用户线程的一个简单例子 (伪代码) Thread* t = new Thread(); t->start(); // 创建内核线程的例子 C++ POSIX API #include <pthread.h> void *thread_function(void *arg); pthread_t thread; int err = pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL); if(err != 0){ printf("\n Can't create thread [%s]", strerror(err)); } ```
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