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[操作系统]用户线程和内核线程的区别


 1 .内核级线程:切换由内核控制,当线程进行切换的时候,由用户态转化为内核态。切换完毕要从内核态返回用户态;可以很好的利用smp,即利用多核cpu。windows线程就是这样的。

 2. 用户级线程内核的切换由用户态程序自己控制内核切换,不需要内核干涉,少了进出内核态的消耗,但不能很好的利用多核Cpu,目前Linux pthread大体是这么做的。

线 程的实现可以分为两类:用户级线程(User-Level Thread)和内核线线程(Kernel-Level Thread),后者又称为内核支持的线程或轻量级进程。在多线程操作系统中,各个系统的实现方式并不相同,在有的系统中实现了用户级线程,有的系统中实 现了内核级线程。

用户线程指不需要内核支持而在用户程序中实现的线程,其不依赖于操作系统核心,应 用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。不需要用户态/核心态切换,速度快,操作系统内核不知道多线程的存在,因此一个线 程阻塞将使得整个进程(包括它的所有线程)阻塞。由于这里的处理器时间片分配是以进程为基本单位,所以每个线程执行的时间相对减少。

内核线程:由操作系统内核创建和撤销。内核维护进程及线程的上下文信息以及线程切换。一个内核线程由于I/O操作而阻塞,不会影响其它线程的运行。Windows NT和2000/XP支持内核线程。

用户线程运行在一个中间系统上面。目 前中间系统实现的方式有两种,即运行时系统(Runtime System)和内核控制线程。“运行时系统”实质上是用于管理和控制线程的函数集合,包括创建、撤销、线程的同步和通信的函数以及调度的函数。这些函数 都驻留在用户空间作为用户线程和内核之间的接口。用户线程不能使用系统调用,而是当线程需要系统资源时,将请求传送给运行时,由后者通过相应的系统调用来 获取系统资源。内核控制线程:系统在分给进程几个轻型进程(LWP),LWP可以通过系统调用来获得内核提供的服务,而进程中的用户线程可通过复用来关联 到LWP,从而得到内核的服务。

以下是用户级线程和内核级线程的区别:

(1)内核支持线程是OS内核可感知的,而用户级线程是OS内核不可感知的。

(2)用户级线程的创建、撤消和调度不需要OS内核的支持,是在语言(如Java)这一级处理的;而内核支持线程的创建、撤消和调度都需OS内核提供支持,而且与进程的创建、撤消和调度大体是相同的。

(3)用户级线程执行系统调用指令时将导致其所属进程被中断,而内核支持线程执行系统调用指令时,只导致该线程被中断。

(4)在只有用户级线程的系统内,CPU调度还是以进程为单位,处于运行状态的进程中的多个线程,由用户程序控制线程的轮换运行;在有内核支持线程的系统内,CPU调度则以线程为单位,由OS的线程调度程序负责线程的调度。

(5)用户级线程的程序实体是运行在用户态下的程序,而内核支持线程的程序实体则是可以运行在任何状态下的程序。

内核线程的优点:

(1)当有多个处理机时,一个进程的多个线程可以同时执行。

缺点:

(1)由内核进行调度。

用户进程的优点:

(1) 线程的调度不需要内核直接参与,控制简单。

(2) 可以在不支持线程的操作系统中实现。

(3) 创建和销毁线程、线程切换代价等线程管理的代价比内核线程少得多。

(4) 允许每个进程定制自己的调度算法,线程管理比较灵活。

(5) 线程能够利用的表空间和堆栈空间比内核级线程多。

(6) 同一进程中只能同时有一个线程在运行,如果有一个线程使用了系统调用而阻塞,那么整个进程都会被挂起。另外,页面失效也会产生同样的问题。

缺点:

(1)资源调度按照进程进行,多个处理机下,同一个进程中的线程只能在同一个处理机下分时复用

 

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内核线程

内核线程只运行在内核态,不受用户态上下文的拖累。

  • 处理器竞争:可以在全系统范围内竞争处理器资源;
  • 使用资源:唯一使用的资源是内核栈和上下文切换时保持寄存器的空间
  • 调度:调度的开销可能和进程自身差不多昂贵
  • 同步效率:资源的同步和数据共享比整个进程的数据同步和共享要低一些。

轻量级进程

轻量级进程(LWP)是建立在内核之上并由内核支持的用户线程,它是内核线程的高度抽象,每一个轻量级进程都与一个特定的内核线程关联。内核线程只能由内核管理并像普通进程一样被调度。

轻量级进程由clone()系统调用创建,参数是CLONE_VM,即与父进程是共享进程地址空间和系统资源。

与普通进程区别:LWP只有一个最小的执行上下文和调度程序所需的统计信息。

  • 处理器竞争:因与特定内核线程关联,因此可以在全系统范围内竞争处理器资源
  • 使用资源:与父进程共享进程地址空间
  • 调度:像普通进程一样调度

用户线程

用户线程是完全建立在用户空间的线程库,用户线程的创建、调度、同步和销毁全又库函数在用户空间完成,不需要内核的帮助。因此这种线程是极其低消耗和高效的。

  • 处理器竞争:单纯的用户线程是建立在用户空间,其对内核是透明的,因此其所属进程单独参与处理器的竞争,而进程的所有线程参与竞争该进程的资源。
  • 使用资源:与所属进程共享进程地址空间和系统资源。
  • 调度:由在用户空间实现的线程库,在所属进程内进行调度

Linux使用的线程库

LinuxThreads是用户空间的线程库,所采用的是线程-进程1对1模型(即一个 用户线程对应一个轻量级进程,而一个轻量级进程对应一个特定 的内核线程),将线程的调度等同于进程的调度,调度交由内核完成,而线程的创建、同步、销毁由核外线程库完成(LinuxThtreads已绑定到 GLIBC中发行)。

在LinuxThreads中,由专门的一个管理线程处理所有的线程管理工作。当进程第 一次调用pthread_create()创建线程时就会先 创建(clone())并启动管理线程。后续进程pthread_create()创建线程时,都是管理线程作为pthread_create()的调用 者的子线程,通过调用clone()来创建用户线程,并记录轻量级进程号和线程id的映射关系,因此,用户线程其实是管理线程的子线程。

LinuxThreads只支持调度范围为PTHREAD_SCOPE_SYSTEM的调度,默认的调度策略是SCHED_OTHER。

用户线程调度策略也可修改成SCHED_FIFO或SCHED_RR方式,这两种方式支持优先级为0-99,而SCHED_OTHER只支持0。

  • SCHED_OTHER 分时调度策略,
  • SCHED_FIFO   实时调度策略,先到先服务
  • SCHED_RR     实时调度策略,时间片轮转

SCHED_OTHER是普通进程的,后两个是实时进程的(一般的进程都是普通进程,系 统中出现实时进程的机会很少)。SCHED_FIFO、 SCHED_RR优先级高于所有SCHED_OTHER的进程,所以只要他们能够运行,在他们运行完之前,所有SCHED_OTHER的进程的都没有得到 执行的机会。