這篇文章是上一篇博客的補充，旨在把沒有講清楚的「用戶級線程和內核級線程」補充完整。希望讀者能對線程有更進一步的了解。
小白最近在學習多線程編程。
網上關於多線程的資料很多，小白很快就把線程的基本概念弄懂了，但關於「用戶級線程和內核級線程」的概念，她卻怎么也搞不清楚，只好向操作系統基礎扎實的小明請教。
對於小白的問題，小明總會耐心解答：“線程里面這兩個概念確實比較難理解，我先給你講用戶級線程吧。”
用戶級線程
“既然你說你已經看過線程的基本概念，那我就直接跳過這一部分了。
很久很久之前，線程的概念是出現了，但操作系統廠商可不能直接就去修改操作系統的內核，因為對他們來說，穩定性是最重要的。貿然把未經驗證的東西加入內核，出問題了怎么辦？所以想要驗證線程的可用性，得另想辦法。”
“我知道我知道，那些研究人員就編寫了一個關於線程的函數庫，用函數庫來實現線程！”小白得意的說：“這個我剛剛在網上看到了。”
“是的，他們把創建線程、終止線程等功能放在了這個線程庫內，用戶就可以通過調用這些函數來實現所需要的功能。”小明找了張紙，寫上了幾個函數：pthread_creat ，pthread_exit ，pthread_join ，pthread_yield ，接着說：“這是幾個重要的函數，你應該能大概猜出這些函數的功能吧？”
“emmmm，讓我想想，pthread_creat 是創建一個新線程，pthread_exit 是結束線程，pthread_join 嘛，我猜是准備運行某一個線程，然后把它加進就緒隊列。最后一個函數我就不知道了。”
“不知道也沒關系，一會你就清楚了。”小明接着講：“要知道，剛剛我們說的線程庫，是位於用戶空間的，操作系統內核對這個庫一無所知，所以從內核的角度看，它還是按正常的方式管理。”
小白問道：“也就是說操作系統眼里還是只有進程嘍？那我用線程庫寫的一個多線程進程，只能一次在一個 CPU 核心上運行？”
小明點點頭，說：“你說的沒錯，這其實是用戶級線程的一個缺點，這些線程只能占用一個核，所以做不到並行加速，而且由於用戶線程的透明性，操作系統是不能主動切換線程的，換句話講，如果 A，B 是同一個進程的兩個線程的話， A 正在運行的時候，線程 B 想要運行的話，只能等待 A 主動放棄 CPU，也就是主動調用 pthread_yield 函數。”
tobe 注：對操作系統來說，用戶級線程具有不可見性，也稱透明性。
“停一下，讓我想一想，”小白飛速思考着小明的話，“是不是說，即使有線程庫，用戶級線程也做不到像進程那樣的輪轉調度？”
“非常正確！看來你對進程的概念很清楚嘛。不過呢，雖然不能做到輪轉調度，但用戶級線程也有他自己的好處——你可以為你的應用程序定制調度算法，畢竟什么時候退出線程你自己說了算。剛剛說了，因為操作系統只能看到進程的存在，那如果某一個線程阻塞了，你覺得會發生什么？”
“在操作系統眼里，是進程阻塞了，那么整個進程就會進入阻塞態，在阻塞操作結束前，這個進程都無法得到 CPU 資源。那就相當於，所有的線程都被阻塞了。”小白得意的回答。
“沒錯，所以如果任由線程進行阻塞操作，進程的效率將受到很大的影響，所以在這個過程中，出現了一個替代方案——jacket。所謂 jacket，就是把一個產生阻塞的系統調用轉化成一個非阻塞的系統調用。”
小白驚訝地問：“這怎么做得到？該阻塞的調用，還能變得不阻塞？”
小明答道：“我來舉個例子吧，不是直接調用一個系統 I/O 例程，而是調用一個應用級別的 I/O jacket 例程，這個 jacket 例程中的代碼會檢查並且確定 I/O 設備是不是正忙，如果忙的話，就在用戶態下將該線程阻塞，然后把控制權交給另一個線程。隔一段時間后再次檢查 I/O 設備。就像你說的，最后還是會執行阻塞調用，但使用 jacket 可以縮短被阻塞的時間。不過有些情況下是可以不被阻塞的，取決於具體的實現。”
小明停頓了一會，說：“用戶級線程的概念大概就這么多，我們接下來講內核級線程吧。”
內核級線程
“有了用戶級線程的鋪墊，內核級線程就好講多了。現在我們知道，許多操作系統都已經支持內核級線程了。為了實現線程，內核里就需要有用來記錄系統里所有線程的線程表。當需要創建一個新線程的時候，就需要進行一個系統調用，然后由操作系統進行線程表的更新。當然了，傳統的進程表也還是有的。你想想看，如果操作系統「看得見」線程，有什么好處？“
小白自信的回答：“操作系統內核如果知道線程的存在，就可以像調度多個進程一樣，把這些線程放在好幾個 CPU 核心上，就能做到實際上的並行了。”
“還有一點你沒有說到，如果線程可見，那么假如線程 A 阻塞了，與他同屬一個進程的線程也不會被阻塞。這是內核級線程的絕對優勢。”
“那內核級線程就沒有什么缺點嗎？”
“缺點當然是有的，你想想看，讓操作系統進行線程調度，那意味着每次切換線程，就需要「陷入」內核態，而操作系統從用戶態到內核態的轉變是有開銷的，所以說內核級線程切換的代價要比用戶級線程大。還有很重要的一點——線程表是存放在操作系統固定的表格空間或者堆棧空間里，所以內核級線程的數量是有限的，擴展性比不上用戶級線程。”
"內核級線程就這么點東西，我最后給你留一張圖，你要是能看得懂，就說明你理解今天的概念了。"
小白得意地說：“我當然看得懂了，謝謝小明！”
希望你在看完我的文章之后有所收獲。
感謝你的閱讀，我們后會有期！
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