在用户空间实现线程

概述

每个进程都有一个地址空间。每个传统的操作系统都有一个控制流的线程。有时，在同一个地址空间中拥有多个 quasi-parallel 运行的控制流线程是可行的。尽管它们是独立的进程，但它们拥有相同的共享地址空间。

当有多个应用程序同时运行时，有些活动可能会从一个时间点阻塞到另一个时间点，这时就会使用线程。通过分解为多个 quasi-parallel 运行的线程，编程模型变得更简单、更容易。新的元素只能通过线程添加。这种共享相同地址空间和数据的能力对某些应用程序至关重要。

线程没有附加资源。进程创建和销毁很困难，而线程则可以轻松创建和销毁。创建一个线程比创建进程快约100倍。

线程具有程序计数器（pc）来跟踪要执行的下一条指令。它还具有用于保存当前工作变量的寄存器。有一个堆栈用于存储执行历史，其中有一个帧对应一个已调用但尚未返回的过程。

在本文中，您将学习如何在用户空间实现线程，了解其优缺点。

操作系统是程序的集合，它与用户共享计算机系统的硬件和软件资源。它区分用户定义的代码和操作系统代码，以确保不当的应用程序不会损害其他程序或操作系统。其概念是只有在操作系统上运行的任务才能获得硬件支持，这被称为内核模式。相反，在用户程序上执行的任务被称为用户模式。

实现线程包有两种方式：

1. 在用户空间
2. 在内核

1. 用户空间中的线程实现

在此实现模型中，线程包完全在用户空间中，内核对此一无所知。此实现模型的主要优点是，用户级线程包可以在不支持线程的操作系统上运行。例如，用户空间线程包。

2. 内核中的线程实现

在此实现模型中，线程包完全在内核中。不需要任何运行时系统。内核有一个线程表来记录系统中的所有线程。

每次需要创建新线程或销毁现有线程时，都会调用内核。此时，内核线程表会被更新。

线程是一种执行单元，是进程的一部分。它分配进程的资源。调度程序负责调度它。实现线程有两种方法：用户空间或内核空间。

可以在没有内核帮助的情况下在用户空间实现线程。当我们实现用户空间中的线程时，会发生以下情况：

1. 相应的代码和数据结构存储在用户空间中。
2. 线程完全由运行时系统处理，内核对此一无所知。
3. 当调用 API 时，会进行用户空间局部系统调用，而不是直接进行系统调用。

实现线程包的其他方法

以下是另外两种方法：

• 混合实现
• 调度程序激活

i) 混合实现

在此实现中，每个内核级线程都有一个用户级线程集，它们轮流使用该线程。

ii) 调度程序激活

调度程序激活工作旨在复制内核线程的工作或功能，但具有更高的性能和更好的灵活性，这通常与在用户空间实现的线程包相关。

弹出式线程

在此系统中，当消息到达时，会立即创建一个新线程来处理该消息，因此称为弹出式线程。

这种弹出式线程的好处是它们是全新的，因此不需要堆栈或历史记录寄存器等需要恢复的元素。每个弹出式线程都是崭新的，与其他所有弹出式线程一样。

用户级线程模型

用户空间中的用户级线程可以使用以下四种方法之一来实现：

1. 一对一
2. 多对一
3. 多对多
4. 两级

在所有模型中，用户级线程都映射到内核级线程。在非线程系统中，内核线程等同于进程。内核线程是内核调度以在 CPU 上运行的执行单元。通常使用虚拟处理器而不是内核线程一词。

一对一

在此一对一模型中

1. 用户空间中的每个用户级线程都在不同的内核级线程上运行。
2. 内核必须提供系统调用来创建新的内核线程。
3. 每个用户级线程都映射到一个不同的内核级线程。

多对一

在此多对一模型中

1. 由于进程只关联一个内核级线程，因此用户级线程只能执行一个用户级线程。
2. 所有用户级线程都可以在同一个内核线程上运行。
3. 每个用户线程都进行系统调用来创建新的内核线程。
4. 在内核级别，用户空间中的多个线程被映射到一个线程。

多对多

在此多对多模型中

1. 进程被分配 m 个内核级线程来运行 n 个用户级线程。

两级

在此模型中

1. 它是一个一对一和多对多模型的混合版本。
2. 单个内核线程只能连接到有限数量的用户线程。

用户空间中实现线程的优缺点

在这里，您将了解用户空间中线程的优缺点。用户空间中线程的一些优点和缺点如下：

优点

1. 它可以在操作系统不支持内核级线程的系统上执行。
2. 整个过程快速而高效，因为不需要系统调用。
3. 组织结构简单，因为线程的创建、切换和控制不会干扰内核。

缺点

1. 性能可能不稳定。
2. 它存在调度不佳的问题，例如将进程分配给空闲线程或因线程持有锁而阻塞进程。

常见问题解答：-

为什么多对一线程是用户空间线程的常用术语，该模型对并发和 CPU 使用有什么影响？

一个内核线程映射到多个用户级线程，这就是为什么用户空间线程被称为多对一模型。这意味着无论用户创建多少线程，一次只有一个线程可以访问 CPU。因此，即使在多核系统上，也无法实现真正的并行，这会导致 CPU 使用率低和并发性下降，尤其是在计算密集型应用程序中。用户级线程与内核级线程切换的开销和控制有何不同？

用户级线程中的上下文切换由用户空间线程库独立于内核管理。由于不需要内核调度和模式切换，因此开销较低。内核无法单独调度或优先处理用户线程，因为它不知道它们的存在，这导致对线程执行的控制较少。这可能导致低效的 I/O 操作或系统调用，其中整个进程会被阻塞。

用户空间线程库需要手动实现哪些功能？

线程的创建、手动上下文切换和调度策略（如轮转法或基于优先级的调度）是用户空间线程库的基本功能。线程控制块（TCB）、堆栈分配和同步机制（例如，用于控制阻塞系统调用的互斥锁和信号量）。用户线程必须通过精心设计的库来模拟这些功能，这使得实现既强大又复杂，而内核线程则依赖于操作系统。

阻塞系统调用对用户空间线程有什么影响，有什么典型的补救措施？

在用户空间线程中，内核只看到每个进程的一个线程，并且不区分不同的用户线程。因此，如果一个线程发出一个阻塞系统调用（如从文件或网络套接字读取），则整个进程会被阻塞。这会严重损害并发性和响应能力。开发者通常通过非阻塞 I/O、异步 I/O API 或混合线程模型来应对这种情况，该模型将多个用户线程映射到多个内核线程，从而允许至少一些线程在 I/O 阻塞期间继续执行。