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关于进程、线程和轻量级进程的一些笔记

[维基百科-轻量级进程]https://en.wikipedia.org/wiki/Light-weight_process#See_also

线程与进程概念

在现代操作系统中，进程支持多线程。

• 进程是资源管理的最小单元；

• 线程是程序执行的最小单元。

即线程作为调度和分配的基本单位，进程作为资源分配的基本单位

一个进程的组成实体可以分为两大部分：线程集和资源集。进程中的线程是动态的对象；代表了进程指令的执行。资源，包括地址空间、打开的文件、用户信息等等，由进程内的线程共享。

线程概念的产生

传统单线程进程的缺点

1. 现实中有很多需要并发处理的任务，如数据库的服务器端、网络服务器、大容量计算等。

2. 传统的UNIX进程是单线程的，单线程意味着程序必须是顺序执行，不能并发；既在一个时刻只能运行在一个处理器上，因此不能充分利用多处理器框架的计算机。

3. 如果采用多进程的方法，则有如下问题：

   • fork一个子进程的消耗是很大的，fork是一个昂贵的系统调用，即使使用现代的写时复制(copy-on-write)技术。
   • 各个进程拥有自己独立的地址空间，进程间的协作需要复杂的IPC技术，如消息传递和共享内存等。

多线程的优缺点

多线程的优点和缺点实际上是对立统一的。

支持多线程的程序(进程)可以取得真正的并行(parallelism)，且由于共享进程的代码和全局数据，故线程间的通信是方便的。它的缺点也是由于线程共享进程的地址空间，因此可能会导致竞争，因此对某一块有多个线程要访问的数据需要一些同步技术。

线程的设计过程演变

在操作系统设计上，从进程演化出线程，最主要的目的就是更好的支持SMP以及减小（进程/线程）上下文切换开销。

SMP机器上多线程的并行性

无论按照怎样的分法，一个进程至少需要一个线程作为它的指令执行体，进程管理着资源（比如cpu、内存、文件等等），而将线程分配到某个cpu上执 行。

一个进程当然可以拥有多个线程，此时，如果进程运行在SMP机器上，它就可以同时使用多个cpu来执行各个线程，达到最大程度的并行，以提高效率；同 时，即使是在单cpu的机器上，采用多线程模型来设计程序，正如当年采用多进程模型代替单进程模型一样，使设计更简洁、功能更完备，程序的执行效率也更 高，例如采用多个线程响应多个输入，而此时多线程模型所实现的功能实际上也可以用多进程模型来实现，而与后者相比，线程的上下文切换开销就比进程要小多 了，从语义上来说，同时响应多个输入这样的功能，实际上就是共享了除cpu以外的所有资源的。

线程模型–核心级线程和用户级线程

针对线程模型的两大意义，分别开发出了核心级线程和用户级线程两种线程模型，分类的标准主要是线程的调度者在核内还是在核外。前者更利于并发使用多处理器的资源，而后者则更多考虑的是上下文切换开销。

关于线程的实现模型,可以参见博主的另外一篇博客线程的3种实现方式–内核级线程, 用户级线程和混合型线程

目前的实现策略

在目前的商用系统中，通常都将两者结合起来使用，既提供核心线程以满足smp系统的需要，也支持用线 程库的方式在用户态实现另一套线程机制，此时一个核心线程同时成为多个用户态线程的调度者。

正如很多技术一样，”混合”通常都能带来更高的效率，但同时也 带来更大的实现难度，出于”简单”的设计思路，Linux从一开始就没有实现混合模型的计划，但它在实现上采用了另一种思路的”混合”。

在线程机制的具体实现上，可以在操作系统内核上实现线程，也可以在核外实现，后者显然要求核内至少实现了进程，而前者则一般要求在核内同时也支持进 程。核心级线程模型显然要求前者的支持，而用户级线程模型则不一定基于后者实现。这种差异，正如前所述，是两种分类方式的标准不同带来的。

当核内既支持进程也支持线程时，就可以实现线程-进程的”多对多”模型，即一个进程的某个线程由核内调度，而同时它也可以作为用户级线程池的调度 者，选择合适的用户级线程在其空间中运行。这就是前面提到的”混合”线程模型，既可满足多处理机系统的需要，也可以最大限度的减小调度开销。

绝大多数商业 操作系统（如Digital Unix、Solaris、Irix）都采用的这种能够完全实现POSIX1003.1c标准的线程模型。在核外实现的线程又可以分为”一对一”、”多对 一”两种模型，前者用一个核心进程（也许是轻量进程）对应一个线程，将线程调度等同于进程调度，交给核心完成，而后者则完全在核外实现多线程，调度也在用 户态完成。后者就是前面提到的单纯的用户级线程模型的实现方式，显然，这种核外的线程调度器实际上只需要完成线程运行栈的切换，调度开销非常小，但同时因 为核心信号（无论是同步的还是异步的）都是以进程为单位的，因而无法定位到线程，所以这种实现方式不能用于多处理器系统，而这个需求正变得越来越大，因 此，在现实中，纯用户级线程的实现，除算法研究目的以外，几乎已经消失了。

linux内核只提供了轻量进程的支持，限制了更高效的线程模型的实现，但Linux着重优化了进程的调度开销，一定程度上也弥补了这一缺陷。目前 最流行的线程机制LinuxThreads所采用的就是线程-进程”一对一”模型，调度交给核心，而在用户级实现一个包括信号处理在内的线程管理机制。

三种线程概念——内核线程、轻量级进程、用户线程

内核线程

内核线程就是内核的分身，一个分身可以处理一件特定事情。这在处理异步事件如异步IO时特别有用。内核线程的使用是廉价的，唯一使用的资源就是内核栈和上下文切换时保存寄存器的空间。支持多线程的内核叫做多线程内核(Multi-Threads kernel )。

内核线程只运行在内核态，不受用户态上下文的拖累。

• 处理器竞争：可以在全系统范围内竞争处理器资源；

• 使用资源：唯一使用的资源是内核栈和上下文切换时保持寄存器的空间

• 调度：调度的开销可能和进程自身差不多昂贵

• 同步效率：资源的同步和数据共享比整个进程的数据同步和共享要低一些。

轻量级进程

轻量级进程(LWP)是建立在内核之上并由内核支持的用户线程，它是内核线程的高度抽象，每一个轻量级进程都与一个特定的内核线程关联。内核线程只能由内核管理并像普通进程一样被调度。

a LWP runs in user space on top of a single kernel thread and shares its address space and system resources with other LWPs within the same process

轻量级进程由clone()系统调用创建，参数是CLONE_VM，即与父进程是共享进程地址空间和系统资源。

与普通进程区别：LWP只有一个最小的执行上下文和调度程序所需的统计信息。

• 处理器竞争：因与特定内核线程关联，因此可以在全系统范围内竞争处理器资源

• 使用资源：与父进程共享进程地址空间

• 调度：像普通进程一样调度

轻量级线程(LWP)是一种由内核支持的用户线程。它是基于内核线程的高级抽象，因此只有先支持内核线程，才能有LWP。每一个进程有一个或多个LWPs，每个LWP由一个内核线程支持。这种模型实际上就是恐龙书上所提到的一对一线程模型。在这种实现的操作系统中，LWP就是用户线程。

由于每个LWP都与一个特定的内核线程关联，因此每个LWP都是一个独立的线程调度单元。即使有一个LWP在系统调用中阻塞，也不会影响整个进程的执行。

轻量级进程具有局限性。

• 首先，大多数LWP的操作，如建立、析构以及同步，都需要进行系统调用。系统调用的代价相对较高：需要在user mode和kernel mode中切换。

• 其次，每个LWP都需要有一个内核线程支持，因此LWP要消耗内核资源（内核线程的栈空间）。因此一个系统不能支持大量的LWP。

注：

1. LWP的术语是借自于SVR4/MP和Solaris 2.x。
2. 有些系统将LWP称为虚拟处理器。
3. 将之称为轻量级进程的原因可能是：在内核线程的支持下，LWP是独立的调度单元，就像普通的进程一样。所以LWP的最大特点还是每个LWP都有一个内核线程支持。

用户线程

用户线程是完全建立在用户空间的线程库，用户线程的创建、调度、同步和销毁全又库函数在用户空间完成，不需要内核的帮助。因此这种线程是极其低消耗和高效的。

• 处理器竞争：单纯的用户线程是建立在用户空间，其对内核是透明的，因此其所属进程单独参与处理器的竞争，而进程的所有线程参与竞争该进程的资源。

• 使用资源：与所属进程共享进程地址空间和系统资源。

• 调度：由在用户空间实现的线程库，在所属进程内进行调度

LWP虽然本质上属于用户线程，但LWP线程库是建立在内核之上的，LWP的许多操作都要进行系统调用，因此效率不高。而这里的用户线程指的是完全建立在用户空间的线程库，用户线程的建立，同步，销毁，调度完全在用户空间完成，不需要内核的帮助。因此这种线程的操作是极其快速的且低消耗的。

上图是最初的一个用户线程模型，从中可以看出，进程中包含线程，用户线程在用户空间中实现，内核并没有直接对用户线程进程调度，内核的调度对象和传统进程一样，还是进程本身，内核并不知道用户线程的存在。

用户线程之间的调度由在用户空间实现的线程库实现。

这种模型对应着恐龙书中提到的多对一线程模型，其缺点是一个用户线程如果阻塞在系统调用中，则整个进程都将会阻塞。

加强版的用户线程——用户线程+LWP

这种模型对应着恐龙书中多对多模型。

用户线程库还是完全建立在用户空间中，因此用户线程的操作还是很廉价，因此可以建立任意多需要的用户线程。

操作系统提供了LWP作为用户线程和内核线程之间的桥梁。LWP还是和前面提到的一样，具有内核线程支持，是内核的调度单元，并且用户线程的系统调用要通过LWP，因此进程中某个用户线程的阻塞不会影响整个进程的执行。

用户线程库将建立的用户线程关联到LWP上，LWP与用户线程的数量不一定一致。当内核调度到某个LWP上时，此时与该LWP关联的用户线程就被执行。

Linux使用的线程库

LinuxThreads是用户空间的线程库，所采用的是线程-进程1对1模型(即一个用户线程对应一个轻量级进程，而一个轻量级进程对应一个特定的内核线程)，将线程的调度等同于进程的调度，调度交由内核完成，而线程的创建、同步、销毁由核外线程库完成（LinuxThtreads已绑定到 GLIBC中发行）。

在LinuxThreads中，由专门的一个管理线程处理所有的线程管理工作。当进程第一次调用pthread_create()创建线程时就会先 创建(clone())并启动管理线程。后续进程pthread_create()创建线程时，都是管理线程作为pthread_create()的调用者的子线程，通过调用clone()来创建用户线程，并记录轻量级进程号和线程id的映射关系，因此，用户线程其实是管理线程的子线程。

LinuxThreads只支持调度范围为PTHREAD_SCOPE_SYSTEM的调度，默认的调度策略是SCHED_OTHER。 
用户线程调度策略也可修改成SCHED_FIFO或SCHED_RR方式，这两种方式支持优先级为0-99,而SCHED_OTHER只支持0。

• SCHED_OTHER 分时调度策略，

• SCHED_FIFO 实时调度策略，先到先服务

• SCHED_RR 实时调度策略，时间片轮转

SCHED_OTHER是普通进程的，后两个是实时进程的（一般的进程都是普通进程，系统中出现实时进程的机会很少）。SCHED_FIFO、 SCHED_RR优先级高于所有SCHED_OTHER的进程，所以只要他们能够运行，在他们运行完之前，所有SCHED_OTHER的进程的都没有得到 执行的机会

小结：

很多文献中都认为轻量级进程就是线程，实际上这种说法并不完全正确，从前面的分析中可以看到，只有在用户线程完全由轻量级进程构成时，才可以说轻量级进程就是线程。