在用户空间中实现线程

有两种主要的方法实现线程包：在用户空间中和在内核中。前者是把整个线程包放在用户空间中，内核对线程包一无所知，仍按正常的单线程进程方式管理。

在用户空间实现线程，线程在一个运行时系统（即线程库）的顶部运行，这个运行时系统是一个管理线程的过程的集合，包括pthread_create、pthread_exit、pthread_join、pthread_yield等过程。每个进程需要其专门的线程表（thread table），用来跟踪该进程中的线程。线程表由运行时系统管理，当一个线程转换到就绪状态或阻塞状态时，在该线程表中存放重启该线程所需的信息，与内核在进程表中存放的进程的信息完全一样。
当某个线程做了一些会引起在本地阻塞的事情之后，例如等待进程中另一个线程完成某些工作，它调用一个运行时系统的过程，这个过程检查该线程是否必须进入阻塞状态。如果是，它在线程表中保持该线程的寄存器，并查看表中可运行的就绪线程，并把新线程的保存值重新装入机器的寄存器中。只要堆栈指针和程序计数器一被切换，新线程就又自动投入运行。

在用户空间中实现线程包的优点：

(1) 用户级线程包可以在不支持线程的操作系统上实现。 

(2) 线程切换至少要比陷入内核要快一个数量级。在线程完成运行时，它调用thread_yield可以把该线程的信息保存在线程表中；进而，它可以调用线程调度程序来选择另一个要运行的线程。保存该线程状态的过程和调度程序都只是本地过程，所以启动它们比进行内核调用效率更高。另一方面，不需要陷阱，不需要上下文切换，也不需要对内存高速缓存进行刷新，这使得线程调度非常快捷。

(3) 允许每个进程有自己定制的调度算法。

(4) 具有较好的可扩展性，这是因为在内核空间中内核线程需要一些固定表格空间和堆栈空间，当内核线程的数量非常大，就会出现问题。

 

在用户空间中实现线程包的缺点：

(1) 如何实现阻塞系统调用而不影响其它线程。一种方法是使用非阻塞版本的系统调用；另一种方法是使用包装器（jacket 或 wrapper），在进行阻塞系统调用之前检查是否会引起阻塞，如果调用会被阻塞，有关的调用就不进行，代之以运行另一个线程。

(2) 在一个单独的进程内部，没有时钟中断，所以不能用轮转调度的方式调度线程。如果一个线程开始运行，那么在该进程中的其他线程就不能运行，除非第一个线程自动放弃CPU。

 

3.2 在内核中实现线程包

在内核中实现线程，此时不再需要运行时系统。另外，每个进程中也没有线程表，相反，在内核中用来记录系统中所有线程的线程表。当一个线程阻塞时，内核可以根据其选择，可以运行同一个进程中的另一个线程，或者运行另一个进程中的线程。而在用户级线程中，运行时系统始终运行自己进程中的线程，直到内核剥夺它的CPU为止。
内核级线程的缺点是：应用程序线程在用户态运行，而线程调度和管理在内核实现。在同一进程中，控制权从一个线程转移到另一个线程，需要用户态-内核态-用户态的模式切换，系统开销较大。
综上：用户级线程和内核级线程之间的差别在于性能。用户级线程的切换需要少量的机器指令，而内核级线程需要完整的上下文切换，修改内存映像，使高速缓存失效，这导致了若干数量级的延迟。另一方面，在使用内核级线程时，一旦线程阻塞在I/O就不需要像在用户级线程中那样将整个进程挂起。

采用混合式线程，内核只识别内核级线程，并对其进行调度。其中一些内核级线程会被多个用户级线程多路复用，在这种模型中，每个内核级线程有一个可以轮流使用的用户级线程集合。