线程的实现模型 | Mikez Namespace

线程的实现模型通常可以分为以下三种：用户级线程模型、内核级线程模型和两级线程模型。每种模型在线程的创建、调度和管理方式上都有不同的特点和适用场景。

1. 用户级线程模型（User-Level Threads, ULT）

概念

用户级线程是完全由用户空间的库（如 POSIX 线程库）实现的线程模型。操作系统内核对这些线程的存在完全不知情。
线程的创建、同步、调度和销毁等操作都是在用户空间完成的，由应用程序或线程库负责管理。

特点

轻量级：由于线程管理在用户空间完成，无需内核参与，线程操作速度快，开销小。
灵活性：开发者可以自定义调度算法，实现细粒度的线程管理。
不支持多核并行：由于内核只看到一个进程，因此，即使有多个用户级线程，它们也只能在一个内核线程上执行，不能充分利用多核 CPU 的优势。
阻塞问题：如果某个用户级线程在内核中发生阻塞（如 I/O 操作），整个进程都会被阻塞，因为内核不支持线程级的阻塞管理。

优点

线程操作开销小，效率高。
无需特权模式切换，节省系统资源。

缺点

无法利用多核 CPU 的优势。
阻塞操作可能导致整个进程挂起。

2. 内核级线程模型（Kernel-Level Threads, KLT）

概念

内核级线程是由操作系统内核直接支持和管理的线程模型。每个线程都由内核创建、调度和管理，内核对这些线程是可见的。
每个内核级线程都有一个内核调度实体，内核负责在线程之间切换和调度。

特点

多核支持：内核能识别多个线程，并能将其分配到不同的处理器上执行，因此能充分利用多核 CPU 的优势。
线程级调度：内核可以在每个线程级别进行调度，即使一个线程阻塞，其他线程仍可以继续运行。
较高的开销：线程操作（如创建、切换等）需要在用户态和内核态之间切换，开销较大。

优点

可以充分利用多核处理器。
即使一个线程阻塞，其他线程也不会受影响。

缺点

线程管理的系统开销较大（如上下文切换需要在用户态和内核态之间切换）。
每个线程都需要系统资源，如内核栈和线程控制块（TCB），这会增加内存开销。

3. 两级线程模型（Two-Level Threads, 或者称为混合线程模型）

概念

两级线程模型结合了用户级线程和内核级线程的优点，提供了更大的灵活性和性能。
在这种模型中，用户级线程映射到内核级线程上（M:N 模型），一个内核级线程可以支持多个用户级线程。
用户级线程在用户空间进行管理和调度，而内核只管理少数几个内核级线程。

特点

灵活性：用户级线程可以在不涉及内核的情况下快速切换，同时内核级线程能够有效利用多核 CPU。
复杂性：需要一个用户空间的调度程序来将用户级线程映射到内核级线程，这增加了实现的复杂性。
阻塞管理：如果一个内核级线程阻塞，其上运行的所有用户级线程也会被阻塞，因此调度程序必须小心处理阻塞操作。

优点

结合了用户级和内核级线程的优点，既能快速切换，又能利用多核优势。
阻塞操作对其他线程的影响较小。

缺点

实现和调度复杂度较高。
用户态调度器可能需要解决复杂的映射和负载均衡问题。

总结

用户级线程模型适用于轻量级、单核场景，但在处理多核 CPU 和阻塞操作时存在局限性。
内核级线程模型则适用于多核、高并发场景，但由于系统开销较大，可能在性能上有所妥协。
两级线程模型通过混合使用用户级和内核级线程，提供了更高的灵活性和性能，适用于复杂的并发场景，但其实现和管理的复杂性也较高。