使用者級線程和核心級線程，你厘清楚了嗎？

前天晚上有個夥伴私信我說在學程序和線程，問我有沒有好的方法和學習教程，剛好我最近也在備相關的課。

班上不少學生學的還是很不錯的。拿班上小白和小明的例子吧（藝名哈）。小明接受能力很強，小白則稍差些。

關于多線程的資料很多，小白把線程的基本概念弄懂了，但關于「使用者級線程和核心級線程」的概念，她卻怎麼也搞不清楚，隻好向作業系統基礎紮實的小明請教。

對于小白的問題，小明總會耐心解答：“線程裡面這兩個概念确實比較難了解，我先給你講使用者級線程吧。”

使用者級線程

“既然你已經看過線程的基本概念，那我就直接跳過這一部分了。很久很久之前，線程的概念是出現了，但作業系統廠商可不能直接就去修改作業系統的核心，因為對他們來說，穩定性是最重要的。貿然把未經驗證的東西加入核心，出問題了怎麼辦？是以想要驗證線程的可用性，得另想辦法。”

“我知道我知道，那些研究人員就編寫了一個關于線程的函數庫，用函數庫來實作線程！”小白得意的說：“這個我剛剛在網上看到了。”

“是的，他們把建立線程、終止線程等功能放在了這個線程庫内，使用者就可以通過調用這些函數來實作所需要的功能。”小明找了張紙，寫上了幾個函數：pthread_creat，pthread_exit ，pthread_join ，pthread_yield ，接着說：“這是幾個重要的功能，我馬上會講到，你應該能大概猜出這些函數的功能吧？”

“emmmm，讓我想想，pthread_creat 是建立一個新線程，pthread_exit 是結束線程，pthread_join 嘛，我猜是準備運作，最後一個，我就不知道了。”

“不知道也沒關系，一會你就清楚了。”小明接着講：“要知道，剛剛我們說的線程庫，是位于使用者空間的，作業系統核心對這個庫一無所知，是以從核心的角度看，它還是按正常的方式管理。”

小白問道：“也就是說作業系統眼裡還是隻有程序喽？那我用線程庫寫的多線程程序，隻能一次在一個 CPU 核心上運作？”

小明點點頭，說：“你說的沒錯，這其實是使用者級線程的一個缺點，這些線程隻能占用一個核，是以做不到并行加速，而且由于使用者線程的透明性，作業系統是不能主動切換線程的，換句話講，如果線程 A 正在運作，線程 B 想要運作的話，隻能等待 A 主動放棄 CPU，也就是主動調用 pthread_yield 函數。”

tobe 注：對作業系統來說，使用者級線程具有不可見性，也稱透明性。

“停一下，讓我想一想，”小白飛速思考着小明的話，“是不是說，即使有線程庫，使用者級線程也做不到像程序那樣的輪轉排程？”

“非常正确！看來你對程序的概念很清楚嘛。不過呢，雖然不能做到輪轉排程，但使用者級線程也有他自己的好處——你可以為你的應用程式定制排程算法，畢竟什麼時候退出線程你自己說了算。剛剛說了，因為作業系統隻能看到程序的存在，那如果某一個線程阻塞了，你覺得會發生什麼？”

“在作業系統眼裡，是程序阻塞了，那麼整個程序就會進入阻塞态，在阻塞操作結束前，這個程序都無法得到 CPU 資源。那就相當于，所有的線程都被阻塞了。”小白得意的回答。

“沒錯，是以如果任由線程進行阻塞操作，程序的效率将受到很大的影響，是以在這個過程中，出現了一個替代方案——jacket。所謂 jacket，就是把一個産生阻塞的系統調用轉化成一個非阻塞的系統調用。”

小白驚訝地問：“這怎麼做得到？該阻塞的調用，還能變得不阻塞？”

小明答道：“我來舉個例子吧，不是直接調用一個系統 I/O 例程，而是調用一個應用級别的 I/O jacket 例程，這個 jacket 例程中的代碼會檢查并且确定 I/O 裝置是不是正忙，如果忙的話，就在使用者态下将該線程阻塞，然後把控制權交給另一個線程。隔一段時間後再次檢查 I/O 裝置。就像你說的，最後還是會執行阻塞調用，但使用 jacket 可以縮短被阻塞的時間。不過有些情況下是可以不被阻塞的，取決于具體的實作。”

小明停頓了一會，說：“使用者級線程的概念大概就這麼多，我們接下來講核心級線程吧。”

核心級線程

“有了使用者級線程的鋪墊，核心級線程就好講多了。現在我們知道，許多作業系統都已經支援核心級線程了。為了實作線程，核心裡就需要有用來記錄系統裡所有線程的線程表。當需要建立一個新線程的時候，就需要進行一個系統調用，然後由作業系統進行線程表的更新。當然了，傳統的程序表也還是有的。你想想看，如果作業系統「看得見」線程，有什麼好處？“

小白自信的回答：“作業系統核心如果知道線程的存在，就可以像排程多個程序一樣，把這些線程放在好幾個 CPU 核心上，就能做到實際上的并行了。”

“還有一點你沒有說到，如果線程可見，那麼假如線程 A 阻塞了，與他同屬一個程序的線程也不會被阻塞。這是核心級線程的絕對優勢。”

“那核心級線程就沒有什麼缺點嗎？”

“缺點當然是有的，你想想看，讓作業系統進行線程排程，那意味着每次切換線程，就需要「陷入」核心态，而作業系統從使用者态到核心态的轉變是有開銷的，是以說核心級線程切換的代價要比使用者級線程大。還有很重要的一點——線程表是存放在作業系統固定的表格空間或者堆棧空間裡，是以核心級線程的數量是有限的，擴充性比不上使用者級線程。”

"核心級線程就這麼點東西，我最後給你留一張圖，你要是能看得懂，就說明你了解今天的概念了。"

“我肯定能看懂！”

在學程序線程的夥伴，你們懂了嗎？不清楚的地方，可以留言，相關的視訊教程也可以留言或者私信我要！