Operating System-Thread(3)使用者空間和核心空間實作線程

作業系統使用者空間和核心空間簡介

在使用者空間實作線程

在核心空間實作線程

使用者空間和核心空間線程混合使用

一、使用者空間和核心空間簡介

使用者空間：User space，核心空間：Kernel Space。這兩個是作業系統的重要概念之一，今天為了線程做一下簡單的介紹：

核心空間用于運作作業系統核心元件，比如記憶體管理元件，IO互動元件，檔案管理、中斷管理元件等，同時驅動程式（Driver）也運作在核心空間。

使用者空間，用于運作普通應用程式。

示意圖：

二，在使用者空間實作線程

使用者空間的線程由程序通過一些已有的Library進行建立，非系統調用（system call）核心對此毫無知曉。實作如下圖所示。

在使用者空間實作線程，線程運作在運作時系統中（run-time system）。核心對此一無所知，對于核心來說，它這是在處理一個單線程的程序而已。在使用者空間實作線程時，每一個程序針對自己的線程維護了一個線程表（Thread Table），該表儲存了線程運作的各種變量，比如寄存器，PC，狀态等等，線程表用程序的運作時系統來維護，當一個線程被block，她的目前運作狀态會被儲存線上程表中，當再次啟動時，也會讀取線程表中已經儲存的狀态，從該狀态進行再次運作。

2.1 優勢

線程的建立有run-Time system通過調用現有的Library的Procedure完成，建立和銷毀程序的開銷非常小。

因為核心對線程沒有感覺，使用者空間的線程可以運作在不支援線程的作業系統中

因為線程由同一個運作時進行維護，在同一個程序内部，線程的切換沒有必要和核心大交道，是以線程之間的切換的開銷非常小，沒有Context Switch，也沒有記憶體緩存的重新整理重置。

使用者空間的線程可以自定義排程算法，程式員完全可以自己寫一套針對自己程式的線程排程算法

2.2 劣勢

因為對于核心來說，不管程序裡面有多少個線程，核心任然按照單線程程序來處理這個程序，是以統一時間一個程序裡面隻能有一個線程運作，就算有多個cpu空閑，也隻能有一個線程運作，是以無法最大限度的使用資源

當然由于隻能有一個線程運作，當某一個線程被block後，整個程序都會被block。

對于單程序的系統，使用者态的線程如果有一個啟動，就會永遠運作，無法被切換到另外一個線程，這裡還是與第一條有關，對于CPU來說，這個程序就隻有一個線程，另外因為是單程序，也就不會有中斷（trap、Interrupt）讓cpu切換到其他程序的請求。當然這個問題使用者可以實作自己的算法進行排程和改善（在run-time system中實作）

三、在核心空間實作線程

核心空間的線程全部有作業系統核心建立，實作如下圖所示。

核心線程同樣有線程表（Thread table），不過這個線程表是儲存在核心中，其功能和使用者空間線程表的功能一樣，都是用于儲存線程的資料。線程的排程由作業系統核心來實作。

核心線程和使用者空間線程基本從性能各方面來說基本是相反地

3.1 優勢

線程表包含所有程序的線程，所有一個程序的可能有多個線程同時在多個cpu上同時運作

一個線程被block不會導緻整個程序被block，CPU會看是不是有其他線程可以運作。

3.2 劣勢

　　1。建立線程消耗非常大，需要在使用者空間和核心之間切換。

　　2。當然發生線程的Context切換時，程式也要從使用者态和核心态之間互相切換，開銷大

四、使用者空間和核心空間線程混合使用

上面的兩種線程的實作方式都有明顯的優缺點，最好的方案其實就是将兩者結合，一個程式可以既有使用者空間的線程，也可以用核心空間的線程。

具體實作方式是，核心線程可以在其之上有一部分使用者空間的線程。核心隻排程核心的線程。

至于什麼樣的比例，怎麼實作。 又回到程式=資料結構+算法這個話題了。。。

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