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进程、轻量级进程、内核线程、用户线程的区别关系  

2012-09-20 16:45:23|  分类: Linux多线程学习 |  标签: |举报 |字号 订阅

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在现代操作系统中,进程支持多线程。进程是资源管理的最小单元;而线程是程序执行的最小单元。一个进程的组成实体可以分为两大部分:线程集资源集。进程中的线程是动态的对象;代表了进程指令的执行。资源,包括地址空间、打开的文件、用户信息等等,由进程内的线程共享。

线程有自己的私有数据:程序计数器,栈空间以及寄存器。

Why Thread?(传统单线程进程的缺点)

1. 现实中有很多需要并发处理的任务,如数据库的服务器端、网络服务器、大容量计算等。

2. 传统的UNIX进程是单线程的,单线程意味着程序必须是顺序执行,不能并发;既在一个时刻只能运行在一个处理器上,因此不能充分利用多处理器框架的计算机。

3. 如果采用多进程的方法,则有如下问题:
a. fork一个子进程的消耗是很大的,fork是一个昂贵的系统调用,即使使用现代的写时复制(copy-on-write)技术。
b. 各个进程拥有自己独立的地址空间,进程间的协作需要复杂的IPC技术,如消息传递和共享内存等。

多线程的优缺点

多线程的优点和缺点实际上是对立统一的:

支持多线程的程序(进程)可以取得真正的并行(parallelism),且由于共享进程的代码和全局数据,故线程间的通信是方便的。它的缺点也是由于线程共享进程的地址空间,因此可能会导致竞争,因此对某一块有多个线程要访问的数据需要一些同步技术


三种线程——内核线程、轻量级进程、用户线程

内核线程

内核线程就是内核的分身,一个分身可以处理一件特定事情。这在处理异步事件如异步IO时特别有用。内核线程的使用是廉价的,唯一使用的资源就是内核栈和上下文切换时保存寄存器的空间。支持多线程的内核叫做多线程内核(Multi-Threads kernel )

轻量级进程[*]

轻量级线程(LWP)是一种由内核支持的用户线程。它是基于内核线程的高级抽象,因此只有先支持内核线程,才能有LWP。每一个进程有一个或多个LWPs,每个LWP由一个内核线程支持。这种模型实际上就是恐龙书上所提到的一对一线程模型。在这种实现的操作系统中,LWP就是用户线程。

由于每个LWP都与一个特定的内核线程关联,因此每个LWP都是一个独立的线程调度单元即使有一个LWP在系统调用中阻塞,也不会影响整个进程的执行(不影响别的LWP

轻量级进程具有局限性。首先,大多数LWP的操作,如建立、析构以及同步,都需要进行系统调用。系统调用的代价相对较高:需要在user mode和kernel mode中切换。其次,每个LWP都需要有一个内核线程支持,因此LWP要消耗内核资源(内核线程的栈空间)。因此一个系统不能支持大量的LWP。

LWP.JPG

注:

1. LWP的术语是借自于SVR4/MPSolaris 2.x

2. 有些系统将LWP称为虚拟处理器。

3. 将之称为轻量级进程的原因可能是:在内核线程的支持下,LWP是独立的调度单元,就像普通的进程一样。所以LWP的最大特点还是每个LWP都有一个内核线程支持。

用户线程

LWP虽然本质上属于用户线程,但LWP线程库是建立在内核之上的,LWP的许多操作都要进行系统调用,因此效率不高。而这里的用户线程指的是完全建立在用户空间的线程库,用户线程的建立,同步,销毁,调度完全在用户空间完成,不需要内核的帮助。因此这种线程的操作是极其快速的且低消耗的。

Uthread1.JPG

上图是最初的一个用户线程模型,从中可以看出,进程中包含线程,用户线程在用户空间中实现,内核并没有直接对用户线程进行调度,内核的调度对象和传统进程一样,还是进程本身,内核并不知道用户线程的存在。用户线程之间的调度由在用户空间实现的线程库实现

这种模型对应着恐龙书中提到的多对一线程模型,其缺点是一个用户线程如果阻塞在系统调用中,则整个进程都将会阻塞(显然)。

加强版的用户线程——用户线程+LWP

这种模型对应着恐龙书中多对多模型。用户线程库还是完全建立在用户空间中,因此用户线程的操作还是很廉价,因此可以建立任意多需要的用户线程。操作系统提供了LWP作为用户线程和内核线程之间的桥梁。LWP还是和前面提到的一样,具有内核线程支持,是内核的调度单元,并且用户线程的系统调用要通过LWP,因此进程中某个用户线程的阻塞不会影响整个进程的执行。用户线程库将建立的用户线程关联到LWP上,LWP与用户线程的数量不一定一致。当内核调度到某个LWP上时,此时与该LWP关联的用户线程就被执行。
Uthread2.JPG

小结:

很多文献中都认为轻量级进程就是线程,实际上这种说法并不完全正确,从前面的分析中可以看到,只有在用户线程完全由轻量级进程构成时,才可以说轻量级进程就是线程。

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