重学操作系统（十一）.md

重学操作系统（十一）

前言

上一个文章讲了内核（Kernel）相关的一些内容，也讲了Linux和Windows系统结构的不同之处。我们可以知道，操作系统分为内核空间和用户空间。比如微内核和宏内核的区别，在于很多功能是否在内核空间内运行。这一章节主要是讲一下内核态（Kernel Mode）和用户态（User Mode）一些知识点。

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贯穿全文的一道题：用户态线程和内核态线程有什么区别？

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用户态（User Mode）和内核态（Kernel Mode）

内核（Kernel）运行在超级权限模式（Supervisor Mode）下，拥有很高的权限。按照权限管理原则，多数程序应该运行在最小权限下，因此内存被分为两个部分：

• 内核空间（Kernel Space）：这个空间只有内核程序可以访问
• 用户空间（User Space）：这个空间给应用程序使用

用户态和内核态

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，这些程序在用户态执行。内核态的代码可以访问所有内存，这些程序可以被看作在内核态执行。

系统的调用过程

用户态程序需要执行系统调用，就需要切换到内核态执行。

图片来源于: @Tutorialspoint

用户态到内核态

上图可以看出用户态程序进行系统调用时的流程：

1. 当用户态程序执行系统调用时，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）。

2. 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，处理系统调用。

3. 内核处理完成后，主动触发Trap，这样会再次发生中断，并切换回用户态继续执行。

线程模型

进程和线程

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进程是宏内核（Monolithic Kernel），因此可以看作一个进程。开机时，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。

进程可被分为用户态进程和内核态进程。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。

对于现代操作系统，执行程序的最小单位不是进程（Process），而是线程（Thread），因此，线程也可以称作是轻量级进程（Light Weighted Process）。

一个进程可以拥有多个线程。进程创建时，一般会有一个主线程随之创建。

进程可以通过API创建用户态线程，也可以通过系统调用，创建内核态线程。

用户态线程

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到它的存在，它完全在用户空间内创建。它的优势包括：

1. 管理开销小：创建和销毁不需要系统调用
2. 切换成本低：用户空间程序可以自己维护，不需要走操作系统调用

它的缺点是：

1. 与内核协作成本高：比如类似Linux的用户态线程，如果进行I/O通信，就需要进行系统调用，因此用户态线程就需要额外成本运行。
2. 线程间协作成本高：两个线程需要通信的话，需要I/O，因此需要系统调用，需要额外的成本。
3. 无法利用多核优势：操作系统调度的仍然是这个线程所属的进程，所以无论每次一个进程有多少用户态线程，都只能并发执行一个线程，因此一个进程的多个线程无法利用多核优势。
4. 操作系统无法针对线程调度进行优化：当一个进程的一个用户态线程阻塞了（Blocked），操作系统无法及时发现和处理阻塞问题，它不会更换执行其它线程，从而造成资源浪费。

内核态线程

内核态线程也称作内核级线程（Kernel Level Thread）。这个线程执行在内核态，可以通过系统调用创建一个内核级线程。

内核级线程的优势是：

1. 可以利用多核CPU优势：内核拥有较高权限，因此可以在多个CPU核心上执行内核线程。
2. 操作系统级优化：内核中的线程操作I/O不需要进行系统调用，一个内核级线程阻塞，可以立即让另一个执行。

它的缺点是：

1. 创建成本高：创建时需要系统调用，需要切换到内核态。
2. 扩展性差：由一个内核程序管理，不可能数量太多。
3. 切换成本高：切换的时候，同样需要内核操作，需要切换内核态。

用户态线程和内核态线程之间的映射关系

用户态线程创建成本低，但是不能利用多核优势。而内核态线程，可以利用多核优势，但是创建成本高，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。

多对一（Many to One）

用户态进程中的多个线程复用一个内核态线程。这样极大减少了创建内核态线程的成本，但是对于一个用户态进程，它的线程不可并发。因此这个模式用的很少。

Q：用户态线程怎么用内核态线程执行程序？

A：程序是存储在内存中的指令，用户态线程可以准备好程序让内核态线程执行。其它映射方式也是利用这种方法。

图片来源于: @拉钩教育

用户线程-内核线程：多对一

一对一（One to One）

该模型为每个用户态线程分配一个单独的内核线程，在这种情况下，每个用户态都需要通过系统调用创建并绑定一个内核线程进行执行。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就是这种模式。但是因为线程多，对内核调度的压力会明显增加。

图片来源于: @拉钩教育

用户线程-内核线程：一对一

多对多（Many To Many）

这种模式是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。这种模式减少了内核线程，同时保证了多核并发。Linux目前采用这种模式。

图片来源于: @拉钩教育

用户线程-内核线程：多对多

两层设计（Two Level）

这种模式混合了一对一和多对多的特点，多数用户态线程和内核线程是n对m的关系，少量用户态线程和内核线程是1对1的关系。

图片来源于: @拉钩教育

用户线程-内核线程：两层设计

总结

通过这个章节，深刻理解到了用户态，内核态，用户线程，内核线程，以及它们的对应关系。之前接触最多的应该是Java多线程。感觉其实对于Java的多线程，设计思想也逃脱不出去这几种映射的设计思想。这应该就是所谓的，开发语言在底层，其实是殊途同归的，因此很多公司，接受转语言的应聘者。从此更加体现出底层知识的重要性。

Q: JVM 的线程是用户态线程还是内核态线程？

A: JVM自己本身有一个线程模型。在JDK1.1时候，JVM自己管理用户级线程。这样做，操作系统只调度内核级线程。用户级线程相当于基于操作系统分配到进程主线程的时间片，再次拆分，因此无法利用多核优势。

后来Java改用了线程映射模型，因此需要操作系统支持。Windows上是1对1的模型，Linux是n对m。映射关系操作系统自动完成。Linux的PThreadAPI用来创建用户级线程，KThreadAPI用来创建内核级线程。

参考

[1] https://kaiwu.lagou.com/course/courseInfo.htm?courseId=478#/detail/pc?id=4621

[2] https://www.tutorialspoint.com/User-Mode-vs-Kernel-Mode