Operating System-Thread(3)用户空间和内核空间实现线程

本文主要内容：

操作系统用户空间和内核空间简介

在用户空间实现线程

在内核空间实现线程

用户空间和内核空间线程混合使用

一、用户空间和内核空间简介

用户空间：User space，内核空间：Kernel Space。这两个是操作系统的重要概念之一，今天为了线程做一下简单的介绍：

内核空间用于运行操作系统核心组件，比如内存管理组件，IO交互组件，文件管理、中断管理组件等，同时驱动程序（Driver）也运行在内核空间。

用户空间，用于运行普通应用程序。

示意图：

二，在用户空间实现线程

用户空间的线程由进程通过一些已有的Library进行创建，非系统调用（system call）内核对此毫无知晓。实现如下图所示。



在用户空间实现线程，线程运行在运行时系统中（run-time system）。内核对此一无所知，对于内核来说，它这是在处理一个单线程的进程而已。在用户空间实现线程时，每一个进程针对自己的线程维护了一个线程表（Thread Table），该表保存了线程运行的各种变量，比如寄存器，PC，状态等等，线程表用进程的运行时系统来维护，当一个线程被block，她的当前运行状态会被保存在线程表中，当再次启动时，也会读取线程表中已经保存的状态，从该状态进行再次运行。

2.1 优势

线程的创建有run-Time system通过调用现有的Library的Procedure完成，创建和销毁进程的开销非常小。
因为内核对线程没有感知，用户空间的线程可以运行在不支持线程的操作系统中

因为线程由同一个运行时进行维护，在同一个进程内部，线程的切换没有必要和内核大交道，所以线程之间的切换的开销非常小，没有Context Switch，也没有内存缓存的刷新重置。

用户空间的线程可以自定义调度算法，程序员完全可以自己写一套针对自己程序的线程调度算法

2.2 劣势

因为对于内核来说，不管进程里面有多少个线程，内核任然按照单线程进程来处理这个进程，所以统一时间一个进程里面只能有一个线程运行，就算有多个cpu空闲，也只能有一个线程运行，所以无法最大限度的使用资源

当然由于只能有一个线程运行，当某一个线程被block后，整个进程都会被block。

对于单进程的系统，用户态的线程如果有一个启动，就会永远运行，无法被切换到另外一个线程，这里还是与第一条有关，对于CPU来说，这个进程就只有一个线程，另外因为是单进程，也就不会有中断（trap、Interrupt）让cpu切换到其他进程的请求。当然这个问题用户可以实现自己的算法进行调度和改善（在run-time system中实现）

三、在内核空间实现线程

内核空间的线程全部有操作系统内核创建，实现如下图所示。



内核线程同样有线程表（Thread table），不过这个线程表是保存在内核中，其功能和用户空间线程表的功能一样，都是用于保存线程的数据。线程的调度由操作系统内核来实现。

内核线程和用户空间线程基本从性能各方面来说基本是相反地

3.1 优势

线程表包含所有进程的线程，所有一个进程的可能有多个线程同时在多个cpu上同时运行

一个线程被block不会导致整个进程被block，CPU会看是不是有其他线程可以运行。

3.2 劣势

　　1。创建线程消耗非常大，需要在用户空间和内核之间切换。



　　2。当然发生线程的Context切换时，程序也要从用户态和内核态之间互相切换，开销大

四、用户空间和内核空间线程混合使用

上面的两种线程的实现方式都有明显的优缺点，最好的方案其实就是将两者结合，一个程序可以既有用户空间的线程，也可以用内核空间的线程。

具体实现方式是，内核线程可以在其之上有一部分用户空间的线程。内核只调度内核的线程。



至于什么样的比例，怎么实现。 又回到程序=数据结构+算法这个话题了。。。