Operating System-Thread(3)用户空间和内核空间实现线程
http://www.cnblogs.com/Brake/archive/2015/12/02/Operating_System_Thread_Part3.html
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。。。
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