使用者級執行緒與核心級執行緒
阿新 • • 發佈：2022-05-13
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執行緒與程序
- 程序是資源分配的基本單位，執行緒是排程的基本單位。
- 程序 = 資源 + 指令執行序列，如果一個程序中有多個指令執行序列（類似多個函式），可以認為這就是多個執行緒。即多個執行緒是共享程序的資源的。通過切換執行緒既實現了併發，又避免了程序切換時需要切換對映表的代價。對映表實際上是用來將虛擬記憶體對映到真實實體記憶體的。
- 因此執行緒的切換實質上就是對映表不變而改變PC指標。
- 每個執行緒都有自己的棧，即執行緒棧。
執行緒的價值
- 執行緒即多個執行序列共享一個地址空間
使用者級執行緒
- 使用者級執行緒本質上是不經過核心的，感覺像是用自定義的函式Yield()來模擬排程，自己控制執行緒的切換。即使用者級執行緒本質上就是一系列函式集合。
- 如上每個方框中都是一個使用者級執行緒的程式碼，每個執行緒都有一個執行緒控制塊TCB，每個執行緒都有自己的函式呼叫棧，棧的地址就存放線上程TCB.esp中。
- 從第一個執行緒，即地址100開始執行，執行到函式B則把下一個地址104壓入執行緒1的函式棧
- 然後跳轉到B開始執行，執行到Yield函式開始切換執行緒，如圖中Yield函式的定義，注意esp是函式棧頂指標暫存器，即當前函式執行結束後會接著執行esp出棧的地址。圖中示意的是執行緒2中的Yield函式，從執行緒2切換到執行緒1需要做兩個操作，第一步是將當前棧頂指標暫存器esp中的內容儲存到執行緒2的TCB中，即TCB2.esp中。第二步是將執行緒1的TCB1.esp放到cpu的暫存器esp中。即使用者級執行緒的切換本質上就是切換TCB和每個執行緒的棧（也在TCB中存著）。
- 注意圖中執行緒2的Yield函式中藍線圈出來的部分需要刪除，因為不需要手動跳轉到204，只要函式Yield執行完畢（到右括號），棧頂指標暫存器就會執行出棧，並從出棧元素處開始執行，此時棧頂指標暫存器中的棧頂元素就是204，因此可以直接從204開始執行。換言之，如果在Yield中jmp語句不刪去，那麼會先跳轉到204處執行，然後將執行緒1的B函式執行完畢後會接著從執行函式棧頂元素處的程式碼，此時棧頂是204，，，於是相當於執行了兩個204處的程式碼。
- 使用者級執行緒不經過核心，少了進出核心的消耗，因此效率較高，但是如果某個執行緒要與硬體互動，比如網絡卡IO，則會引起對應的程序阻塞，此時cpu不會切換到其它執行緒去執行，而是直接切換到了另一個程序，如果此時沒有其它程序，則直接導致cpu空轉。因此即使通過使用者級執行緒啟動了多個任務序列，但一旦在核心中阻塞了，則啟動這多個序列的併發性就沒有了效果。
- 核心級執行緒的TCB都在核心中，因此不用自己寫Yield，而是由作業系統自動排程。
核心級執行緒
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核心級執行緒能更好利用多核處理器，多核與多CPU的區別如下，多CPU有多個快取和MMU，多核處理器則是使用同一套快取和MMU。核心級執行緒中各個執行緒可以執行在不同的核上，從而實現並行。併發是同時出發交替執行，並行則是同時執行。
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核心級執行緒相比使用者級執行緒的本質區別有兩點，一點是核心級執行緒的TCB在核心中，由核心負責切換。第二點是兩個使用者級執行緒需要兩個使用者（函式）棧，而兩個核心級執行緒則需要使用兩套棧，即每個TCB包含兩個棧，一個使用者棧一個核心棧，當切換核心機執行緒即切換TCB時會同時切換使用者棧和核心棧，不過這都是作業系統的活啦。
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使用者執行緒通過中斷陷入核心，然後把使用者棧的一些相關資訊壓入核心棧，核心執行緒通過IRET指令返回使用者態，並將核心棧中的相關資訊出棧。
核心級執行緒切換5段論
- 因為本質上我們寫的程式都是應用程式，只有遇到跟硬體互動等任務時才會陷入核心，因此五段論最開始都是在使用者棧開始的。
- 第一段，使用者態程式呼叫中斷，進入切換。
- 第二段，中斷處理，比如啟動磁碟讀或時鐘中斷等，這會引發TCB切換，即執行緒切換。
- 第三段，tcb切換，從一個執行緒到另一個執行緒。
- 第四段，核心棧切換，從一個執行緒的核心棧，切換另一個執行緒的核心棧。
- 第五段，中斷出口，從核心棧切換回使用者棧。