本文參考了 用戶態(tài)非搶占式線程庫實(shí)現(xiàn) 一文以及 GNU Pth 。前者是一種用戶態(tài)線程庫的簡單實(shí)現(xiàn)，屬于一個(gè)很好的demo，后者就是大家熟知的Pthread的用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)，比較完善。

Keywords: User-Space MultiThreading, Pth

所謂多線程，簡單講就是能夠讓幾個(gè)不同的代碼片段輪流執(zhí)行。內(nèi)核實(shí)現(xiàn)多線程的方法比較直觀，在每次時(shí)鐘中斷到來時(shí)或者用戶調(diào)用syscall陷入內(nèi)核時(shí)進(jìn)行上下文切換即可。用戶態(tài)切換線程要解決兩個(gè)問題：

1、時(shí)機(jī)，即何時(shí)切換線程？

2、方法，即怎樣切換上下文？

為了決定切換時(shí)機(jī)，需要確定所設(shè)計(jì)的線程庫是可剝奪(preemptive)的還是不可剝奪(non-preemptive)的。一般，用戶態(tài)線程庫都選擇使用不可剝奪的設(shè)計(jì)方案，這么做的好處是將控制權(quán)交給用戶，而用戶最了解何時(shí)需要放棄執(zhí)行權(quán)。這么做減少了系統(tǒng)切換次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了最高的CPU利用率，非常適合用于科學(xué)計(jì)算環(huán)境。但是，另一方面這么做也存在缺點(diǎn)：其它線程的響應(yīng)速度變慢，他們必須等到當(dāng)前CPU放棄執(zhí)行權(quán)后才能被執(zhí)行。能不能將用戶線程設(shè)計(jì)成可剝奪的呢？這應(yīng)該也是可行的。每個(gè)用戶線程運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)被迫暫停執(zhí)行，被動(dòng)地將控制權(quán)交回給調(diào)度器。怎樣才能“被迫暫停執(zhí)行”？這是方法問題，下面就要講到。

對(duì)于不可剝奪方式，需要用戶編寫程序的時(shí)候主動(dòng)調(diào)用諸如thread_yeild(), thread_wai()之類的函數(shù)，這些函數(shù)會(huì)將當(dāng)前用戶線程的執(zhí)行上下文保存起來，然后讓調(diào)度器選擇一個(gè)新的用戶線程投入執(zhí)行。底層操作系統(tǒng)提供了一些列的機(jī)制支持上下文的獲得和切換，如setjmp,longjmp,getcontext,swapcontext等。 用戶態(tài)非搶占式線程庫實(shí)現(xiàn) 一文使用了前面兩個(gè)函數(shù)， GNU Pth 使用了后面兩個(gè)函數(shù)。可剝奪方式的實(shí)現(xiàn)需要更多的操作系統(tǒng)支持，如可以利用alarm函數(shù)周期性地產(chǎn)生用戶態(tài)中斷，每次中斷到來的時(shí)候線程庫進(jìn)行線程切換。

單純的用戶態(tài)線程庫一般都是基于一個(gè)單線程進(jìn)程實(shí)現(xiàn)的，一旦用戶線程阻塞，這個(gè)進(jìn)程就被阻塞，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)用戶態(tài)線程組得不到CPU。基于單進(jìn)程實(shí)現(xiàn)的用戶態(tài)線程庫在SMP/多CPU環(huán)境下性能很差，多出來的核無法被線程庫利用，這跟當(dāng)前的微處理器架構(gòu)發(fā)展趨勢十分不符。為了解決這個(gè)問題，可以考慮使用一種混合結(jié)構(gòu)：在少量內(nèi)核線程的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大量的用戶線程。

最后思考一個(gè)問題：為什么用戶態(tài)線程庫比內(nèi)核態(tài)線程庫具有更高的性能呢？其實(shí)用戶態(tài)線程庫同樣離不開進(jìn)入內(nèi)核態(tài)這一過程，以getcontext,swapcontex實(shí)現(xiàn)方式為例，getcontext要進(jìn)出一次內(nèi)核，swapcontex又要進(jìn)出一次內(nèi)核，而內(nèi)核線程切換則只需要一次時(shí)鐘中斷，只進(jìn)出內(nèi)核一次即可。這么說來，用戶態(tài)線程庫的性能應(yīng)該劣于內(nèi)核態(tài)線程庫。但是，注意到每次時(shí)鐘中斷所做的工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止上下文切換這么簡單，這應(yīng)該是用戶態(tài)線程庫更優(yōu)的原因吧。基于這個(gè)分析，如果應(yīng)用需要?jiǎng)?chuàng)建的線程數(shù)并不多，二者應(yīng)該性能相當(dāng)。但是，一旦線程數(shù)巨大且切換頻繁，用戶態(tài)線程庫的優(yōu)勢就能體現(xiàn)出來了。

用戶態(tài)多線程實(shí)現(xiàn)的基本原理