这节课给你带来了一道非常经典的面试题目:用户态线程和内核态线程有什么区别?
这是一个组合型的问题,由很多小问题组装而成,比如:
而且这个问题还关联到了我们后面要学习的多线程、I/O 模型、网络优化等。 所以这是一道很不错的面试题目,它不是简单考某个概念,而是通过让求职者比较两种东西,从而考察你对知识整体的认知和理解。
今天就请你顺着这个问题,深入学习内核的工作机制,和我一起去理解用户态和内核态。
Kernel 运行在超级权限模式(Supervisor Mode)下,所以拥有很高的权限。按照权限管理的原则,多数应用程序应该运行在最小权限下。因此,很多操作系统,将内存分成了两个区域:
用户空间中的代码被限制了只能使用一个局部的内存空间,我们说这些程序在用户态(User Mode) 执行。内核空间中的代码可以访问所有内存,我们称这些程序在内核态(Kernal Mode) 执行。
如果用户态程序需要执行系统调用,就需要切换到内核态执行。下面我们来讲讲这个过程的原理。
如上图所示:内核程序执行在内核态(Kernal Mode),用户程序执行在用户态(User Mode)。当发生系统调用时,用户态的程序发起系统调用。因为系统调用中牵扯特权指令,用户态程序权限不足,因此会中断执行,也就是 Trap(Trap 是一种中断)。
发生中断后,当前 CPU 执行的程序会中断,跳转到中断处理程序。内核程序开始执行,也就是开始处理系统调用。内核处理完成后,主动触发 Trap,这样会再次发生中断,切换回用户态工作。关于中断,我们将在“15 课时”进行详细讨论。
上面我们学习了用户态和内核态,接下来我们从进程和线程的角度进一步思考本课时开头抛出的问题。
一个应用程序启动后会在内存中创建一个执行副本,这就是进程。Linux 的内核是一个 Monolithic Kernel(宏内核),因此可以看作一个进程。也就是开机的时候,磁盘的内核镜像被导入内存作为一个执行副本,成为内核进程。
进程可以分成用户态进程和内核态进程两类。用户态进程通常是应用程序的副本,内核态进程就是内核本身的进程。如果用户态进程需要申请资源,比如内存,可以通过系统调用向内核申请。
那么用户态进程如果要执行程序,是否也要向内核申请呢?
程序在现代操作系统中并不是以进程为单位在执行,而是以一种轻量级进程(Light Weighted Process),也称作线程(Thread)的形式执行。
一个进程可以拥有多个线程。进程创建的时候,一般会有一个主线程随着进程创建而创建。
如果进程想要创造更多的线程,就需要思考一件事情,这个线程创建在用户态还是内核态。
你可能会问,难道不是用户态的进程创建用户态的线程,内核态的进程创建内核态的线程吗?
其实不是,进程可以通过 API 创建用户态的线程,也可以通过系统调用创建内核态的线程,接下来我们说说用户态的线程和内核态的线程。
用户态线程也称作用户级线程(User Level Thread)。操作系统内核并不知道它的存在,它完全是在用户空间中创建。
用户级线程有很多优势,比如。
但是这种线程也有很多的缺点。
内核态线程也称作内核级线程(Kernel Level Thread)。这种线程执行在内核态,可以通过系统调用创造一个内核级线程。
内核级线程有很多优势。
当然内核线程也有一些缺点。
线程简单理解,就是要执行一段程序。程序不会自发的执行,需要操作系统进行调度。我们思考这样一个问题,如果有一个用户态的进程,它下面有多个线程。如果这个进程想要执行下面的某一个线程,应该如何做呢?
这时,比较常见的一种方式,就是将需要执行的程序,让一个内核线程去执行。毕竟,内核线程是真正的线程。因为它会分配到 CPU 的执行资源。
如果一个进程所有的线程都要自己调度,相当于在进程的主线程中实现分时算法调度每一个线程,也就是所有线程都用操作系统分配给主线程的时间片段执行。这种做法,相当于操作系统调度进程的主线程;进程的主线程进行二级调度,调度自己内部的线程。
这样操作劣势非常明显,比如无法利用多核优势,每个线程调度分配到的时间较少,而且这种线程在阻塞场景下会直接交出整个进程的执行权限。
由此可见,用户态线程创建成本低,问题明显,不可以利用多核。内核态线程,创建成本高,可以利用多核,切换速度慢。因此通常我们会在内核中预先创建一些线程,并反复利用这些线程。这样,用户态线程和内核态线程之间就构成了下面 4 种可能的关系:
用户态进程中的多线程复用一个内核态线程。这样,极大地减少了创建内核态线程的成本,但是线程不可以并发。因此,这种模型现在基本上用的很少。我再多说一句,这里你可能会有疑问,比如:用户态线程怎么用内核态线程执行程序?
程序是存储在内存中的指令,用户态线程是可以准备好程序让内核态线程执行的。后面的几种方式也是利用这样的方法。
该模型为每个用户态的线程分配一个单独的内核态线程,在这种情况下,每个用户态都需要通过系统调用创建一个绑定的内核线程,并附加在上面执行。 这种模型允许所有线程并发执行,能够充分利用多核优势,Windows NT 内核采取的就是这种模型。但是因为线程较多,对内核调度的压力会明显增加。
这种模式下会为 n 个用户态线程分配 m 个内核态线程。m 通常可以小于 n。一种可行的策略是将 m 设置为核数。这种多对多的关系,减少了内核线程,同时也保证了多核心并发。Linux 目前采用的就是该模型。
这种模型混合了多对多和一对一的特点。多数用户态线程和内核线程是 n 对 m 的关系,少量用户线程可以指定成 1 对 1 的关系。
上图所展现的是一个非常经典的设计。
我们这节课讲解的问题、考虑到的情况以及解决方法,将为你今后解决实际工作场景中的问题打下坚实的基础。比如处理并发问题、I/O 性能瓶颈、思考数据库连接池的配置等,要想完美地解决问题,就必须掌握这些模型,了解问题的本质上才能更好地思考问题衍生出来的问题。
这节课我们学习了用户态和内核态,然后我们简单学习了进程和线程的基础知识。这部分知识会在“模块四:进程和线程”中以更细粒度进行详细讲解。等你完成模块四的学习后,可以再返回来看这一节的内容,相信会有更深入的理解。
最后,我们还讨论了用户线程和内核线程的映射关系,这是一种非常经典的设计和思考方式。关于这个场景我们讨论了 1 对 1、1 对多以及多对 1,两层模型 4 种方法。日后你在处理线程池对接;远程 RPC 调用;消息队列时,还会反复用到今天的方法。
那么通过这节课的学习,你现在是否可以来回答本节关联的面试题目?用户态线程和内核态线程的区别?
老规矩,请你先在脑海里构思下给面试官的表述,并把你的思考写在留言区,然后再来看我接下来的分析。
【解析】 用户态线程工作在用户空间,内核态线程工作在内核空间。用户态线程调度完全由进程负责,通常就是由进程的主线程负责。相当于进程主线程的延展,使用的是操作系统分配给进程主线程的时间片段。内核线程由内核维护,由操作系统调度。
用户态线程无法跨核心,一个进程的多个用户态线程不能并发,阻塞一个用户态线程会导致进程的主线程阻塞,直接交出执行权限。这些都是用户态线程的劣势。内核线程可以独立执行,操作系统会分配时间片段。因此内核态线程更完整,也称作轻量级进程。内核态线程创建成本高,切换成本高,创建太多还会给调度算法增加压力,因此不会太多。
实际操作中,往往结合两者优势,将用户态线程附着在内核态线程中执行。
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