計算機作業系統學習之使用者級/核心級線程和多線程模型

文章目錄

• 一.概念
• 二.線程帶來的變化
• 三.線程的屬性
• 四.使用者級線程和核心級線程
• • 1.使用者級線程
  • 2.核心級線程
  • 3.兩者的關聯性
• 五.線程的實作方式
• 六.多線程模型
• • 1.多對一模型
  • 2.一對一模型
  • 3.多對多模型
• 七.小結

一.概念

• 有的程序可能需要“同時”做很多事情，而傳統程序隻能串行的執行一系列程式。為此，引入了線程，來增加并發度
• 可以把線程了解為輕量級程序
• 線程是一個基本的CPU執行單元，也是程式執行流的最小單元

二.線程帶來的變化

• 程序隻是資源配置設定的基本機關，線程成為排程的基本機關
• 各線程間也可以并發，提高了并發性
• 線程間并發，如果是同一程序内的線程，則不需要切換程序環境，系統開銷減小

三.線程的屬性

• 線程是處理機排程的機關
• 多CPU計算機中，各個線程可以占用不同的CPU
• 每個線程都有一個線程控制塊(TCB)
• 線程也有運作，就緒，阻塞三種基本狀态
• 線程幾乎不擁有系統資源（因為引入線程以後，程序是資源配置設定的基本機關，線程隻是處理機排程的基本機關）
• 同一程序的不同線程共享程序的資源
• 由于共享記憶體空間位址，同一程序内的線程間進行通信甚至不需要系統幹預
• 同一程序中的線程切換，不會引起程序切換
• 不同程序中的線程切換，會引起程序切換

四.使用者級線程和核心級線程

1.使用者級線程

• 使用者級線程由應用程式通過線程庫實作
• 所有線程管理工作由應用程式負責
• 使用者級線程，線程切換可以在使用者态下完成，無需作業系統幹預
• 在使用者看來，是有多個線程，但是作業系統核心并意識不到使用者級線程的存在

2.核心級線程

• 核心級線程的管理工作都由作業系統核心完成
• 是以核心級線程的切換必須在核心态下才能完成
• 當有多個處理機時，一個程序的多個線程可以同時執行
• 核心級線程是作業系統核心可以感覺到的

3.兩者的關聯性

• 它們之間的差别在于性能
• 核心支援線程是OS核心可感覺的，而使用者級線程是OS核心不可感覺的
• 使用者級線程的建立、撤消和排程不需要OS核心的支援
• 使用者級線程執行系統調用指令時将導緻其所屬程序被中斷，而核心支援線程執行系統調用指令時，隻導緻該線程被中斷
• 在隻有使用者級線程的系統内，CPU排程還是以程序為機關，處于運作狀态的程序中的多個線程，由使用者程式控制線程的輪換運作；在有核心支援線程的系統内，CPU排程則以線程為機關，由OS的線程排程程式負責線程的排程
• 使用者級線程的程式實體是運作在使用者态下的程式，而核心支援線程的程式實體則是可以運作在任何狀态下的程式

五.線程的實作方式

• 在同時支援核心級線程和使用者級線程的系統中，可采用二者組合的方式:将n個使用者級線程映射到m個核心級線程（n>m）

• 由于作業系統隻感覺得到核心級線程，是以隻有核心級線程是處理機配置設定的機關

  eg：

  

上圖中，該程序由兩個核心級線程和三個使用者級線程組成。在使用者看來，這個程序中有三個線程，但因為隻有兩個核心級線程，即使該程序在一個四核處理機上運作，也最多隻能配置設定到兩個核，最多有兩個使用者級線程并行執行。

六.多線程模型

1.多對一模型

• 多個使用者級線程映射到一個核心級線程

• 優點：

  使用者級線程的切換可以直接在使用者态實作，不用切換到核心态，效率高

• 缺點：

  當一個使用者級線程被阻塞時，整個程序都會被阻塞(因為多對一，對作業系統而言它隻能看到一個核心級程序，當一個使用者級線程阻塞了，該核心級程序也就阻塞了，作業系統就會去處理别的核心級線程)，并發度不高。多個線程不可在多核處理機上并行運作。

2.一對一模型

• 一個使用者級線程映射到一個核心級線程

• 優點：

  當一個線程阻塞時，别的線程還可以繼續執行，并發能力強，多線程可在多核處理機上并行執行

• 缺點：

  一個使用者程序（注意這是程序）會占用多個核心級線程，線程切換由作業系統核心完成，需要切換到核心态，線程管理的成本高，開銷大。

3.多對多模型

• n個使用者級線程映射到m個核心級線程（n>m）
• 克服了多對一的并發性不高的問題，也克服了一對一開銷太大的缺點

七.小結

• 線程就是輕量級程序，就是把程序細分了
• 有了線程以後，線程就成為了排程的基本機關
• 使用者級線程就是使用者視角下的線程，與核心牽扯不是很大
• 核心級線程是作業系統核心視角下的線程，是由核心進行管理的
• 隻有核心級線程是處理機配置設定的機關，因為作業系統看不到使用者級線程