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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
linux上主流的线程实现机制:
转自http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/kernel/l-thread/
1.NPTL
NPTL的设计目标归纳可归纳为以下几点:
-
POSIX兼容性
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SMP结构的利用
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低启动开销
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低链接开销(即不使用线程的程序不应当受线程库的影响)
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与LinuxThreads应用的二进制兼容性
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软硬件的可扩展能力
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多体系结构支持
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NUMA支持
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与C++集成
在技术实现上,NPTL仍然采用1:1的线程模型,并配合glibc和最新的Linux Kernel2.5.x开发版在信号处理、线程同步、存储管理等多方面进行了优化。和LinuxThreads不同,NPTL没有使用管理线程,核心线程的管理直接放在核内进行,这也带了性能的优化。
主要是因为核心的问题,NPTL仍然不是100%POSIX兼容的,但就性能而言相对LinuxThreads已经有很大程度上的改进了。
2.NGPT
IBM的开放源码项目NGPT在2003年1月10日推出了稳定的2.2.0版,但相关的文档工作还差很多。就目前所知,NGPT是基于GNU Pth(GNU Portable Threads)项目而实现的M:N模型,而GNU Pth是一个经典的用户级线程库实现。
按照2003年3月NGPT官方网站上的通知,NGPT考虑到NPTL日益广泛地为人所接受,为避免不同的线程库版本引起的混乱,今后将不再进行进一步开发,而今进行支持性的维护工作。也就是说,NGPT已经放弃与NPTL竞争下一代Linux POSIX线程库标准。
3.其他高效线程机制
此处不能不提到Scheduler Activations。这个1991年在ACM上发表的多线程内核结构影响了很多多线程内核的设计,其中包括Mach3.0、NetBSD和商业版本Digital Unix(现在叫Compaq True64 Unix)。它的实质是在使用用户级线程调度的同时,尽可能地减少用户级对核心的系统调用请求,而后者往往是运行开销的重要来源。采用这种结构的线程机制,实际上是结合了用户级线程的灵活高效和核心级线程的实用性,因此,包括Linux、FreeBSD在内的多个开放源码操作系统设计社区都在进行相关研究,力图在本系统中实现Scheduler Activations。
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