用户/内核级线程

用户级线程和内核级线程

分类：
					linux进程线程控制

1.内核级线程：

（1）线程的创建、撤销和切换等，都需要内核直接实现，即内核了解每一个作为可调度实体的线程。

（2）这些线程可以在全系统内进行资源的竞争。

（3）内核空间内为每一个内核支持线程设置了一个线程控制块（TCB），内核根据该控制块，感知线程的存在，并进行控制。

在一定程度上类似于进程，只是创建、调度的开销要比进程小。有的统计是1：10

2.用户级线程：

（1）用户级线程仅存在于用户空间。——>对比内核

（2）内核并不能看到用户线程。——>重要的区别

（3）内核资源的分配仍然是按照进程进行分配的；各个用户线程只能在进程内进行资源竞争。

6-1a 用户级线程

6-1b内核级线程

用户级线程驻留在用户空间或模式。运行时库管理这些线程，它也位于用户空间。它们对于操作系统是不可见的，因此无法被调度到处理器内核。每个线程并不具有自身的线程上下文。因此，就线程的同时执行而言，任意给定时刻每个进程只能够有一个线程在运行，而且只有一个处理器内核会被分配给该进程。对于一个进程，可能有成千上万个用户级线程，但是它们对系统资源没有影响。运行时库调度并分派这些线程。如同在图6-1(a)中看到的那样，库调度器从进程的多个线程中选择一个线程，然后该线程和该进程允许的一个内核线程关联起来。内核线程将被操作系统调度器指派到处理器内核。用户级线程是一种"多对一"的线程映射。

内核级线程驻留在内核空间，它们是内核对象。有了内核线程，每个用户线程被映射或绑定到一个内核线程。用户线程在其生命期内都会绑定到该内核线程。一旦用户线程终止，两个线程都将离开系统。这被称作"一对一"线程映射，如图6-1(b)所示。操作系统调度器管理、调度并分派这些线程。运行时库为每个用户级线程请求一个内核级线程。操作系统的内存管理和调度子系统必须要考虑到数量巨大的用户级线程。您必须了解每个进程允许的线程的最大数目是多少。操作系统为每个线程创建上下文。线程的上下文将在本章稍后部分介绍。进程的每个线程在资源可用时都可以被指派到处理器内核。
以下是用户级线程和内核级线程的区别：

（1）内核支持线程是OS内核可感知的，而用户级线程是OS内核不可感知的。

（2）用户级线程的创建、撤消和调度不需要OS内核的支持，是在语言（如Java）这一级处理的；而内核支持线程的创建、撤消和调度都需OS内核提供支持，而且与进程的创建、撤消和调度大体是相同的。

（3）用户级线程执行系统调用指令时将导致其所属进程被中断，而内核支持线程执行系统调用指令时，只导致该线程被中断。

（4）在只有用户级线程的系统内，CPU调度还是以进程为单位，处于运行状态的进程中的多个线程，由用户程序控制线程的轮换运行；在有内核支持线程的系统内，CPU调度则以线程为单位，由OS的线程调度程序负责线程的调度。

（5）用户级线程的程序实体是运行在用户态下的程序，而内核支持线程的程序实体则是可以运行在任何状态下的程序。
内核线程的优点：

（1）当有多个处理机时，一个进程的多个线程可以同时执行。
缺点：
（1）由内核进行调度。

用户进程的优点：
（1）
线程的调度不需要内核直接参与，控制简单。
（2） 可以在不支持线程的操作系统中实现。
（3）
创建和销毁线程、线程切换代价等线程管理的代价比内核线程少得多。
（4）
允许每个进程定制自己的调度算法，线程管理比较灵活。这就是必须自己写管理程序，与内核线程的区别
（5）
线程能够利用的表空间和堆栈空间比内核级线程多。
（6）
同一进程中只能同时有一个线程在运行，如果有一个线程使用了系统调用而阻塞，那么整个进程都会被挂起。另外，页面失效也会产生同样的问题。

缺点：

（1）资源调度按照进程进行，多个处理机下，同一个进程中的线程只能在同一个处理机下分时复用

posix线程调度是一个混合模型，很灵活，足以在标准的特定实现中支持用户级和内核级的线程。模型中包括两级调度–线程及和内核实体级。线程级与用户级线程类似，内核实体由内核调度。由线程库来决定它需要多少内核实体，以及他们是如何映射的。

POSIX
引入了一个线程调度竞争范围(thread-scheduling contention scope)的概念，这个.
概念赋予了程序员一些控制权，使它们可以控制怎样将内核实体映射为线程。线程的contentionscope属性可是PTHREAD_SCOPE_PROCESS,也可以是PTHREAD_SCOPE_SYSTEM。带有PTHREAD_SCOPE_PROCESS属性的线程与它所在的进程中的其他线程竞争处理器资源。带有PTHREAD_SCOPE_SYSTEM属性的线程很像内核级线程，他们在全系统的范围内竞争处理器资源。POSIX的一种映射方式将PTHREAD_SCOPE_SYSTEM线程和内核实体之间绑定起来。

内核级线程创建时先设置线程属性PTHREAD_SCOPE_SYSTEM，代码如下，:

pthread_attr_t
attr;

pthread_attr_init(&attr);

pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM);
//设置内核级的线程,以获取较高的响应速度

//创建线程

ret =
pthread_create(&iAcceptThreadId, &attr, AcceptThread,
NULL);
POSIX的标准中定义了两个值：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM和PTHREAD_SCOPE_PROCESS，前者表示与系统中所有线程一起竞争CPU时间，后者表示仅与同进程中的线程竞争CPU。默认为PTHREAD_SCOPE_PROCESS。目前LinuxThreads仅实现了PTHREAD_SCOPE_SYSTEM一值。
关于线程的绑定，牵涉到另外一个概念：轻进程（LWP：Light
Weight
Process）。轻进程可以理解为内核线程，它位于用户层和系统层之间。系统对线程资源的分配、对线程的控制是通过轻进程来实现的，一个轻进程可以控制一个或多个线程。默认状况下，启动多少轻进程、哪些轻进程来控制哪些线程是由系统来控制的，这种状况即称为非绑定的。绑定状况下，则顾名思义，即某个线程固定的"绑"在一个轻进程之上。被绑定的线程具有较高的响应速度，这是因为CPU时间片的调度是面向轻进程的，绑定的线程可以保证在需要的时候它总有一个轻进程可用。通过设置被绑定的轻进程的优先级和调度级可以使得绑定的线程满足诸如实时反应之类的要求。

设置线程绑定状态的函数为pthread_attr_setscope，它有两个参数，第一个是指向属性结构的指针，第二个是绑定类型，它有两个取值：PTHREAD_SCOPE_SYSTEM（绑定的）和PTHREAD_SCOPE_PROCESS（非绑定的）。

用户线程(user-level threads)指不需要内核支持而在用户程序中实现的线程，其不依赖于操作系统核心，应用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。这种线程甚至在象 DOS 这样的操作系统中也可实现，但线程的调度需要用户程序完成，这有些类似 Windows 3.x 的协作式多任务。
优点:1.线程位于用户空间(即不需要模式切换)。2.完全控制线程调度器(例如:网站服务器)。3.独立于操作系统(线程可以在不支持它们的操作系统上运行)。4.运行时系统(run time system)可以切换用户空间中的本地阻塞线程(例如:等待另一个线程完成).
缺点:1.系统调度中，对一个线程的阻塞将会导致整个进程阻塞;(例如:当一个线程因 I/O 而处于等待状态时，整个进程就会被调度程序切换为等待状态，其他线程得不到运行的机会)2.网站服务器中，一个页面的错误将导致整个进程阻塞。3.非真正意义的线程并行(一个进程安排在单个CPU上)。4.不存在时钟中断(例如，如果用户线程是非抢占式(non-preemptive)的，将无法被"进程调度"(schedulers)以round-robin的调度算法调用，因为round-robin调度算法中限制了cpu时间片)。
用户线程不需要额外的内核开支，并且用户态线程的实现方式可以被定制或修改以适应特殊应用的要求，但是;而内核线程则没有这个限制，有利于发挥多处理器的并发优势，但却占用了更多的系统开支。

内核线程(kernel-level threads)指需要内核的参与，由内核完成线程的调度。其依赖于操作系统核心，由内核的内部需求进行创建和撤销。内核线程的线程表(thread table)位于内核中，包括了线程控制快(TCB),一旦线程阻塞，内核会从当前或者其他进程(process)中重新选择一个线程保证程序的执行。
优点:1.实现了真正意义上的线程并行。2.不需要运行时系统(runtime system)的参与。
缺点:1.频繁的模式切换(mode switches)导致内核开支(overhead)。windows和linux应用的就是内核线程。

用户线程(user-level threads)指不需要内核支持而在用户程序中实现的线程，其不依赖于操作系统核心，应用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。这种线程甚至在象 DOS 这样的操作系统中也可实现，但线程的调度需要用户程序完成，这有些类似 Windows 3.x 的协作式多任务。
优点:1.线程位于用户空间(即不需要模式切换)。2.完全控制线程调度器(例如:网站服务器)。3.独立于操作系统(线程可以在不支持它们的操作系统上运行)。4.运行时系统(run time system)可以切换用户空间中的本地阻塞线程(例如:等待另一个线程完成).
缺点:1.系统调度中，对一个线程的阻塞将会导致整个进程阻塞;(例如:当一个线程因 I/O 而处于等待状态时，整个进程就会被调度程序切换为等待状态，其他线程得不到运行的机会)2.网站服务器中，一个页面的错误将导致整个进程阻塞。3.非真正意义的线程并行(一个进程安排在单个CPU上)。4.不存在时钟中断(例如，如果用户线程是非抢占式(non-preemptive)的，将无法被"进程调度"(schedulers)以round-robin的调度算法调用，因为round-robin调度算法中限制了cpu时间片)。
用户线程不需要额外的内核开支，并且用户态线程的实现方式可以被定制或修改以适应特殊应用的要求，但是;而内核线程则没有这个限制，有利于发挥多处理器的并发优势，但却占用了更多的系统开支。