用戶級線程和內核級線程，你分得清嗎？

這篇文章是上一篇博客的補充，旨在把沒有講清楚的「用戶級線程和內核級線程」補充完整。但願讀者能對線程有更進一步的瞭解。

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小白最近在學習多線程編程。

網上關於多線程的資料不少，小白很快就把線程的基本概念弄懂了，但關於「用戶級線程和內核級線程」的概念，她卻怎麼也搞不清楚，只好向操做系統基礎紮實的小明請教。

對於小白的問題，小明總會耐心解答：「線程裏面這兩個概念確實比較難理解，我先給你講用戶級線程吧。」

用戶級線程

「既然你說你已經看過線程的基本概念，那我就直接跳過這一部分了。

好久好久以前，線程的概念是出現了，但操做系統廠商可不能直接就去修改操做系統的內核，由於對他們來講，穩定性是最重要的。貿然把未經驗證的東西加入內核，出問題了怎麼辦？因此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於線程的函數庫，用函數庫來實現線程！」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內，用戶就能夠經過調用這些函數來實現所須要的功能。」小明找了張紙，寫上了幾個函數：pthread_creat ，pthread_exit ，pthread_join ，pthread_yield ，接着說：「這是幾個重要的函數，你應該能大概猜出這些函數的功能吧？」

「emmmm，讓我想一想，pthread_creat 是建立一個新線程，pthread_exit 是結束線程，pthread_join 嘛，我猜是準備運行某一個線程，而後把它加進就緒隊列。最後一個函數我就不知道了。」

「不知道也不要緊，一會你就清楚了。」小明接着講：「要知道，剛剛咱們說的線程庫，是位於用戶空間的，操做系統內核對這個庫一無所知，因此從內核的角度看，它仍是按正常的方式管理。」

小白問道：「也就是說操做系統眼裏仍是隻有進程嘍？那我用線程庫寫的一個多線程進程，只能一次在一個 CPU 核心上運行？」

小明點點頭，說：「你說的沒錯，這實際上是用戶級線程的一個缺點，這些線程只能佔用一個核，因此作不到並行加速，並且因爲用戶線程的透明性，操做系統是不能主動切換線程的，換句話講，若是 A，B 是同一個進程的兩個線程的話， A 正在運行的時候，線程 B 想要運行的話，只能等待 A 主動放棄 CPU，也就是主動調用 pthread_yield 函數。」

tobe 注：對操做系統來講，用戶級線程具備不可見性，也稱透明性。

「停一下，讓我想想，」小白飛速思考着小明的話，「是否是說，即便有線程庫，用戶級線程也作不到像進程那樣的輪轉調度？」

「很是正確！看來你對進程的概念很清楚嘛。不過呢，雖然不能作到輪轉調度，但用戶級線程也有他本身的好處——你能夠爲你的應用程序定製調度算法，畢竟何時退出線程你本身說了算。剛剛說了，由於操做系統只能看到進程的存在，那若是某一個線程阻塞了，你以爲會發生什麼？」

「在操做系統眼裏，是進程阻塞了，那麼整個進程就會進入阻塞態，在阻塞操做結束前，這個進程都沒法獲得 CPU 資源。那就至關於，全部的線程都被阻塞了。」小白得意的回答。

「沒錯，因此若是任由線程進行阻塞操做，進程的效率將受到很大的影響，因此在這個過程當中，出現了一個替代方案——jacket。所謂 jacket，就是把一個產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：「這怎麼作獲得？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別的 I/O jacket 例程，這個 jacket 例程中的代碼會檢查而且肯定 I/O 設備是否是正忙，若是忙的話，就在用戶態下將該線程阻塞，而後把控制權交給另外一個線程。隔一段時間後再次檢查 I/O 設備。就像你說的，最後仍是會執行阻塞調用，但使用 jacket 能夠縮短被阻塞的時間。不過有些狀況下是能夠不被阻塞的，取決於具體的實現。」

小明停頓了一會，說：「用戶級線程的概念大概就這麼多，咱們接下來說內核級線程吧。」

內核級線程

「有了用戶級線程的鋪墊，內核級線程就好講多了。如今咱們知道，許多操做系統都已經支持內核級線程了。爲了實現線程，內核裏就須要有用來記錄系統裏全部線程的線程表。當須要建立一個新線程的時候，就須要進行一個系統調用，而後由操做系統進行線程表的更新。固然了，傳統的進程表也仍是有的。你想一想看，若是操做系統「看得見」線程，有什麼好處？「

小白自信的回答：「操做系統內核若是知道線程的存在，就能夠像調度多個進程同樣，把這些線程放在好幾個 CPU 核心上，就能作到實際上的並行了。」

「還有一點你沒有說到，若是線程可見，那麼假如線程 A 阻塞了，與他同屬一個進程的線程也不會被阻塞。這是內核級線程的絕對優點。」

「那內核級線程就沒有什麼缺點嗎？」

「缺點固然是有的，你想一想看，讓操做系統進行線程調度，那意味着每次切換線程，就須要「陷入」內核態，而操做系統從用戶態到內核態的轉變是有開銷的，因此說內核級線程切換的代價要比用戶級線程大。還有很重要的一點——線程表是存放在操做系統固定的表格空間或者堆棧空間裏，因此內核級線程的數量是有限的，擴展性比不上用戶級線程。」

"內核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，就說明你理解今天的概念了。"

小白得意地說：「我固然看得懂了，謝謝小明！」

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但願你在看完個人文章以後有所收穫。

感謝你的閱讀，咱們後會有期！

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