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Python 用户级线程和内核级线程

Yuchuan 发表于 2020-03-26 13:33:15 03-26 13:33
Yuchuan 发表于 2020-03-26 13:33:15 2020/03/26
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【摘要】 python 用户级线程和内核级线程知识。

用户级线程和内核级线程(了解)

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。


1、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。

在用户空间模拟操作系统对进程的调度,来调用一个进程中的线程,每个进程中都会有一个运行时系统,用来调度线程。此时当该进程获取cpu时,进程内再调度出一个线程去执行,同一时刻只有一个线程执行。


2、内核级线程

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。


3、用户级与内核级线程的对比

用户及线程和内核线程的区别:

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。
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。
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。
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。
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。

内核线程的优缺点:

优点: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:由内核进行调度。

用户级线程的优缺点:

优点:
线程的调度不需要内核直接参与,控制简单。
可以在不支持线程的操作系统中实现。
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。
允许每个进程定制自己的调度算法,线程管理比较灵活。
线程能够利用的表空间和堆栈空间比内核级线程多。
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:
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

4、混合实现

用户级与内核级的多路复用,内核同一调度内核线程,每个内核线程对应n个用户线程

linux操作系统的 NPTL   

介绍:

历史
在内核2.6以前的调度实体都是进程,内核并没有真正支持线程。它是能过一个系统调用clone()来实现的,这个调用创建了一份调用进程的拷贝,跟fork()不同的是
,这份进程拷贝完全共享了调用进程的地址空间。LinuxThread就是通过这个系统调用来提供线程在内核级的支持的(许多以前的线程实现都完全是在用户态,
内核根本不知道线程的存在)。非常不幸的是,这种方法有相当多的地方没有遵循POSIX标准,特别是在信号处理,调度,进程间通信原语等方面。
很显然,为了改进LinuxThread必须得到内核的支持,并且需要重写线程库。为了实现这个需求,开始有两个相互竞争的项目:IBM启动的NGTP(Next Generation POSIX Threads)项目,
以及Redhat公司的NPTL。在2003年的年中,IBM放弃了NGTP,也就是大约那时,Redhat发布了最初的NPTL。
NPTL最开始在redhat linux 9里发布,现在从RHEL3起内核2.6起都支持NPTL,并且完全成了GNU C库的一部分。
设计
NPTL使用了跟LinuxThread相同的办法,在内核里面线程仍然被当作是一个进程,并且仍然使用了clone()系统调用(在NPTL库里调用)。
但是,NPTL需要内核级的特殊支持来实现,比如需要挂起然后再唤醒线程的线程同步原语futex.
NPTL也是一个1*1的线程库,就是说,当你使用pthread_create()调用创建一个线程后,在内核里就相应创建了一个调度实体,在linux里就是一个新进程,
这个方法最大可能的简化了线程的实现。
除NPTL的1*1模型外还有一个m*n模型,通常这种模型的用户线程数会比内核的调度实体多。在这种实现里,线程库本身必须去处理可能存在的调度,
这样在线程库内部的上下文切换通常都会相当的快,因为它避免了系统调用转到内核态。然而这种模型增加了线程实现的复杂性,并可能出现诸如优先级反转的问题,
此外,用户态的调度如何跟内核态的调度进行协调也是很难让人满意


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