进程，轻量级进程，内核线程，用户线程的区别关系

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进程，轻量级进程，内核线程，用户线程的区别关系

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；而线程是程序执行的最小单元。一个进程的组成实体可以分为两大部分：线程集合资源集。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。

线程有自己的私有数据：程序计数器，栈空间以及寄存器。

Why Thread?（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：
a. 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。
b. 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。

三种线程——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 )。

轻量级进程^[*]

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。

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。

 

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

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行调度，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。

 

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。

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)，所以用户线程阻塞也就意味着这个对应的内核轻量级进程的阻塞。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

 

   传统的讲解linux内核进程和线程的书，比如《LINUX KERNEL DEVELOPMENT》所简单阐述的关于多线程和进程的关系，大致都为线程共享其所属进程代码数据堆栈等，其实现在理解来看，这只是一种片面的说法，因为省略了LWP这一环，真正实现代码数据和地址空间等共享的并不是用户线程，而是和用户线程对应，代替用户线程与内核交互的LWP，顾名思义，用户线程是完全工作在用户空间的，内核完全不知道用户线程的存在，因为用户线程是在用户态完全由进程所创建和管理的。

    “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。”这句话的理解是：当不存在LWP的时候，因为kernel并不知道用户线程的存在，而如果用户线程需要系统调用，比如read操作，但是由于内核由于某种原因暂时不能提供被读取的数据，那么该read系统调用的不能进行会导致阻塞，但是由于kernel只对进程作出响应，所以对内核而言，唯一能阻塞的对象只能是发出请求的进程，而请求的线程是通过进程向内核提出系统调用的，那么进程阻塞了，当然属于该进程的其他线程同时也会阻塞。