用户线程和内核线程理解

现在SOC多核在嵌入式领域已经随处可见，随着人工智能的兴起，算法实现和集成的业务逻辑也变得更加的复杂，作为一名嵌入式开发工作者，不管是BSP层还是应用层，对于底层进程和线程模型及调度有必要进行较为深入的了解，本文对用户级线程和内核级线程进行了一些总结。

1.用户级线程和内核级线程的区别

用户级线程仅存于用户空间中，其创建、撤销、线程之间的同步与通信功能，都无须利用系统调用来实现。总之，它的实现是和操作系统无关的，用户进程只需要通过线程库来完成线程控制；相反，内核线程的建立和销毁都是由操作系统负责、通过系统调用完成的。从描述的区别上就可以看出，用户级别的线程不用经过内核空间，效率肯定很高，而内核线程是驻留在内核空间的，用户进程在创建使用内核线程时访问内核空间是必不可少的工作，效率上相对较低。既然内核线程效率低，那为什么还要引入他呐？我们知道在线程中经常会用到系统调用，对于用户线程来说，如果系统调用是阻塞的，那么意味着这个线程所属的整个进程都会阻塞住，这就尴尬了，说好的并发性变成了只能共富贵不能共患难了O(∩_∩)O~。这种情况下还是需要请高人出山—内核线程就闪亮登场了，内核线程是在内核空间实现的机制，也就是说它在操作系统那排了号（有线程控制块TCB）。知道了两者的区别了，哪优缺点也就八九不离十了。

2.用户级线程和内核级线程优缺点

用户线程和内核线程看着一个锋芒毕露十分招摇，一个韬光养晦相当内敛，从性格上来说优缺点就一目了然了。

• 用户线程优点：
  （1） 调度无需内核参与
  （2） 不支持线程的OS中也能实现
  （3） 线程创建、销毁、切换、管理的代价比内核线程少得多
  （4） 每个进程可定制自己的调度算法，线程管理灵活
  （5） 线程能够利用的表空间和堆栈空间比内核级线程多
• 用户线程缺点：
  （1）资源调度按照进程进行，多个处理器时，同一个进程中的线程只能在同一个处理器下分时复用
  （2）同一进程中通常只能同时有一个线程在运行，否则如果有一个线程使用了系统调用而阻塞，那么整个进程都会被挂起
• 内核线程的优点：
  （1）当有多个处理器时，一个进程的多个线程可以同时执行
• 内核线程缺点：
  （1）由内核进行调度，资源开销相对较大

从上面的分析可以看出来，上层的用户线程优点多缺点也多，而且比较致命，内敛的内核线程则是优点不多（但很重要），缺点也不多（可以宽容）。POSIX thread库在Linux应用程序开发中经常使用，它用的是用户线程还是内核线程呐？

3.Linux系统pthread库创建的是用户线程还是内核线程？

根据上面的概念表面上来看是用户线程，不少人被POSIX thread库给骗了。虽然POSIX thread是个库，但在Linux系统中POSIX thread库在pthread_create创建的时候会调用系统调用clone，接着操作系统帮忙创建内核级线程，所以，Linux系统中pthread创建的是内核线程而非用户线程。而且，pthread在设置线程属性的时候本身不支持设置进程资源竞争的，设置属性接口如下：

功能： 设置线程绑定属性。
头文件： <pthread.h>
函数原型： int pthread_attr_setscope (pthread_attr_t* attr, int scope)
函数传入值：attr: 线程属性。
scope:PTHREAD_SCOPE_SYSTEM(绑定)
PTHREAD_SCOPE_PROCESS(非绑定)
函数返回值得：同1。

Linux只对PTHREAD_SCOPE_SYSTEM属性生效，那么为什么Linux只可以设置作用域为系统级的资源强占而不支持进程级的呐？这就要从Linux不支持单纯的用户线程说起了。Linux操作系统刚开始设计的时候并没有考虑到这么复杂，它仅有多进程多任务的调度，没有线程的概念，后来人们发现每次搞出个进程地址空间都要单独分一下、进程表在内核中切来切去开销太大，业务逻辑太复杂的话会需要很多进程，系统负荷可想而知。这种情况下，线程的概念就被提出，为了让不支持线程的Linux也能用上这样的好东西，Redhat开始了NPTL（Native POSIX Thread Library）工程。NPTL避免了操作系统层面过大的改动，提供了包含一组线程控制操作的函数库。也就是我们现在经常使用的pthread库，这就是为什么说它“骗”我们误以为Linux下创建的是用户线程。为什么我们会被它骗到？因为创建出来的线程看着机制和用户线程表面上没啥毛病，共享代码段、数据段等等都是可以的。但再线程创建的时候却在暗中clone了一个轻量级进程（LWP），也就是pthread创建的线程时内核也会对应的来一个，著名的1：1模型说的就是这个对应关系。