linux线程用户

‘壹’ linux内核线程kernel thread详解

Linux内核线程(kernel thread)是内核中的执行流，其设计目的是为了支持多线程并行执行，同时避免因阻塞操作导致的线程暂停。内核线程在内核态下运行，由内核负责调度，每个线程处于阻塞状态时，不会影响其他线程的执行，因为线程是调度的基本单位。与用户线程不同，内核线程只能访问大于PAGE_OFFSET（在传统x86_32系统上约为3G）的地址空间，这限制了其地址空间的大小。

内核线程由内核自身启动，它们执行内核任务，如管理资源或响应用户进程请求。内核线程有两种类型：一种是直接由内核生成的线程，另一种则是通过特定接口创建的线程。这些线程通常与内核的其他部分并行运行，用于执行特定任务。

在Linux内核中，进程描述符(task_struct)包含与进程地址空间相关的字段，如mm和active_mm。大多数系统将地址空间分为用户层部分和内核空间部分。普通用户进程的mm指向虚拟地址空间的用户空间部分，而内核线程的mm为NULL，这使得内核可以优化地址转换处理，避免频繁切换虚拟地址空间。active_mm用于在内核线程切换时保持旧设置，确保用户空间部分的内容在需要时可以访问。

内核线程创建接口经历了演化，从早期的kernel_create和daemonize接口到更现代的kthread_create和kthread_run接口，这些接口允许内核线程的创建被延迟到工作队列中，从而简化了创建过程。一个特殊内核线程kthreadd（在系统初始化时创建）负责定期检查并执行工作队列中的任务，从而创建新线程。

内核线程在系统进程中显示为[]标识，与普通进程区分。它们共享内核地址空间，不具有独立的地址空间，因此mm指针被设置为NULL。内核线程在内核空间运行，从不切换到用户空间，且可以被调度和抢占。

创建内核线程的过程经历了从低效复杂的早期接口到更简洁的kthread_create和kthread_run接口的演变，这些接口通过将创建操作委托给一个专门的内核线程（如kthreadd）来简化实现。工作队列机制进一步优化了内核线程的创建过程，使得系统能够动态分配线程数量，提高资源利用率。

内核线程通过将任务插入工作队列中并在适当的时机执行，实现了创建过程的高效管理。kthread_create接口创建线程并将其插入工作队列，而kthread_run接口则直接唤醒创建的线程开始执行。这些机制不仅简化了内核线程的创建，还方便了用户的编程。

内核线程的退出是通过调用do_exit函数或外部进程调用kthread_stop函数来实现的。退出过程中，线程会检查并处理信号，以确保在退出前释放资源，避免意外中断。

总结，Linux内核线程是内核管理资源和执行特定任务的核心组件，它们在内核态下运行，共享内核地址空间，通过高效接口和工作队列机制简化了创建过程。在多线程环境中，内核线程提供了强大的并行执行能力，增强了内核的性能和灵活性。

‘贰’ 通俗易懂的了解——Linux线程模型和线程切换

Linux线程模型：

• 基本概念：在Linux中，进程是资源分配的基本单位，而线程是CPU调度的基本单位。线程共享进程的资源，但每个线程都有自己的执行路径。

• 内核态与用户态：内核态不区分进程和线程，都使用task_struct结构体保存。用户态则区分进程和线程，通过不同的系统调用创建。

• 线程模型类型：

  • 一对一：一个用户线程对应一个内核线程。Linux 2.6默认使用NPTL线程库，采用此模型。优点在于实现简单，调度效率高；缺点在于资源消耗相对较大。
  • 多对一：多个用户线程对应同一个内核线程。优点在于资源消耗小；缺点在于线程切换和同步需要用户空间线程库处理，效率较低。
  • 多对多：m个用户线程对应n个内核线程。已废弃的模型，旨在平衡资源消耗和调度效率。

线程切换：

• 基本概念：线程切换是指CPU从当前执行的线程切换到另一个线程执行的过程。

• 直接开销：

  • 用户态与内核态切换：线程切换只能在内核态完成，如果当前用户处于用户态，则会引起用户态与内核态的切换，带来一定的开销。
  • 上下文切换：切换时需要保存和恢复旧线程的上下文，这是线程切换的主要开销之一。
  • 线程调度算法：管理线程状态和等待条件等，如果线程切换频繁，调度算法的开销也不容忽视。

• 间接开销：

  • 缓存缺失：切换线程后，如果新线程访问的地址空间与旧线程不相近，可能会引起缓存缺失，影响性能。
  • 其他快慢表式结构：如页表等也可能因线程切换而受到影响。

综上所述，Linux线程模型主要有一对一、多对一和多对多三种类型，其中一对一模型最为常用。线程切换涉及用户态与内核态的切换、上下文切换以及线程调度算法等开销，同时还可能引起缓存缺失等间接开销。理解这些概念和开销有助于优化多线程程序的性能。

‘叁’ Linux内核线程kthread简介【最好的一篇！】

Linux内核线程kthread简介：

1. 内核线程的基本概念： 定义：内核线程是Linux内核中的独立执行单元，专门用于处理特定任务。它们由内核自主调度，在内核态运行。 地址空间：内核线程拥有3G以上的地址空间，与用户线程不同，它们不会影响其他线程的运行。 与用户进程的区分：内核线程没有独立地址空间，mm指针为NULL，仅限于内核空间，可以被调度和抢占。

2. 内核线程的创建与管理： 创建方法：创建内核线程有多种方法，其中通过”kthread_create”和”wake_up_process”配合是一种常见方式，”kthread_run”则是一个便利的封装，负责线程的创建和启动。 线程管理：内核中有一个持续运行的线程kthreadd，它负责管理其他内核线程。通过”kthread_create“创建线程后，线程在遇到”kthread_should_stop”或”kthread_stop“时才会结束。 线程名称：在”kthread_run”中，线程名称由sprintf格式字符串组成。

3. 内核线程的生命周期： 创建：通过调用”kthread_create“或”kthread_run“创建线程，并设置线程的任务结构和入口函数。 运行：创建成功后，新线程被唤醒并进入内核线程的入口函数，如”kthread“。 结束：通过调用”kthread_stop“结束线程，确保线程在结束前完成相关操作，避免异常。

4. 内核线程的重要性： 效率与稳定性：内核线程的设计确保了操作系统在处理任务时的效率和稳定性。 并发管理：内核线程的创建、调度和退出机制被精心设计，以处理并发问题。 操作系统编程基础：理解内核线程的工作原理对于操作系统编程至关重要，特别是在处理并发问题和理解内核工作原理方面。

‘肆’ Linux用户进程内核态执行，内核线程的关系问题

1、几乎所有的程序都要切换到内核态运行再返回用户态，用中断完成的，因为在内核下封装了一些东西，用户态下只是传入某些参数后调用内核态下的函数罢了，
2、进程有三态（执行态，就绪态，阻塞态），cpu任何时刻都只有一个进程在执行，so从用户态切换到内核态时，用户态下的进程就处于阻塞或就绪态了，至于从用户态切换到内核态执行哪个函数那就看你在用户态下执行的是什么函数了，比如在用户态下的lseek在内核下就是llseek了，不一样的。
3、这问题就是linux的内存管理了，这里就得提到三种地址（逻辑地址、线性地址、物理地址），这里我们提到的4G地址是逻辑地址，不是我们实际的物理地址，linux中一个进程用户占0-3G对应的内核占3G-4G部分
说得不是很清楚，这是比较复杂的内容，需要从头看起，单就这几个问题是不能搞懂linux的，最好还是系统的学习，不断的重复

‘伍’ Linux用户线程和内核线程区别

Linux用户线程与内核线程的主要区别在于它们的实现方式、调度机制和性能开销。

用户级线程

用户级线程的实现完全在用户空间进行，内核并不直接感知。这种模型的优点包括：调度由应用程序自行管理，开销较小，线程切换速度快。然而，缺点是开发者需要负责调度，并且资源竞争仅限于进程内。

内核级线程

内核级线程由内核直接管理，操作系统内核能感知每个线程，可以全系统范围内调度资源。优点在于线程创建和调度由内核处理，性能稳定，但开销较大，线程切换需进入内核，可能导致性能损失。

用户线程在不支持内核线程的系统中也能工作，创建成本低且调度灵活，但资源竞争受限于进程。内核线程则提供了更直接的并发控制，但创建和调度成本高。

操作系统通常采用不同的线程模型来平衡性能和资源使用，如一对一或多对多模型，各有优缺点。例如，多对一模型适合用户空间效率，一对一模型提供更好的并发性，而多对多模型则在一定程度上兼顾两者。

‘陆’ linux下线程属性常用操作有哪些

LinuxThread的线程机制

LinuxThreads是目前Linux平台上使用最为广泛的线程库，由Xavier Leroy ([email protected]) 负责开发完成，并已绑定在GLIBC中发行。它所实现的就是基于核心轻量级进程的"一对一"线程模型，一个线程实体对应一个核心轻量级进程，而线程之间的 管理在核外函数库中实现。

1.线程描述数据结构及实现限制

LinuxThreads定义了一个struct _pthread_descr_struct数据结构来描述线程，并使用全局数组变量 __pthread_handles来描述和引用进程所辖线程。在__pthread_handles中的前两项，LinuxThreads定义了两个全 局的系统线程：__pthread_initial_thread和__pthread_manager_thread，并用 __pthread_main_thread表征__pthread_manager_thread的父线程（初始为 __pthread_initial_thread）。

struct _pthread_descr_struct是一个双环链表结构，__pthread_manager_thread所在的链表仅包括它 一个元素，实际上，__pthread_manager_thread是一个特殊线程，LinuxThreads仅使用了其中的errno、p_pid、 p_priority等三个域。而__pthread_main_thread所在的链则将进程中所有用户线程串在了一起。经过一系列 pthread_create()之后形成的__pthread_handles数组将如下图所示：

图2 __pthread_handles数组结构

新创建的线程将首先在__pthread_handles数组中占据一项，然后通过数据结构中的链指针连入以__pthread_main_thread为首指针的链表中。这个链表的使用在介绍线程的创建和释放的时候将提到。

LinuxThreads遵循POSIX1003.1c标准，其中对线程库的实现进行了一些范围限制，比如进程最大线程数，线程私有数据区大小等等。在 LinuxThreads的实现中，基本遵循这些限制，但也进行了一定的改动，改动的趋势是放松或者说扩大这些限制，使编程更加方便。这些限定宏主要集中 在sysdeps/unix/sysv/linux/bits/local_lim.h（不同平台使用的文件位置不同）中，包括如下几个：

每进程的私有数据key数，POSIX定义_POSIX_THREAD_KEYS_MAX为128，LinuxThreads使用 PTHREAD_KEYS_MAX，1024；私有数据释放时允许执行的操作数，LinuxThreads与POSIX一致，定义 PTHREAD_DESTRUCTOR_ITERATIONS为4；每进程的线程数，POSIX定义为64，LinuxThreads增大到1024 （PTHREAD_THREADS_MAX）；线程运行栈最小空间大小，POSIX未指定，LinuxThreads使用 PTHREAD_STACK_MIN，16384（字节）。

2.管理线程

"一对一"模型的好处之一是线程的调度由核心完成了，而其他诸如线程取消、线程间的同步等工作，都是在核外线程库中完成的。在LinuxThreads 中，专门为每一个进程构造了一个管理线程，负责处理线程相关的管理工作。当进程第一次调用pthread_create()创建一个线程的时候就会创建 （__clone()）并启动管理线程。

在一个进程空间内，管理线程与其他线程之间通过一对"管理管道（manager_pipe[2]）"来通讯，该管道在创建管理线程之前创建，在成功启动 了管理线程之后，管理管道的读端和写端分别赋给两个全局变量__pthread_manager_reader和 __pthread_manager_request，之后，每个用户线程都通过__pthread_manager_request向管理线程发请求， 但管理线程本身并没有直接使用__pthread_manager_reader，管道的读端（manager_pipe[0]）是作为__clone ()的参数之一传给管理线程的，管理线程的工作主要就是监听管道读端，并对从中取出的请求作出反应。

创建管理线程的流程如下所示：
（全局变量pthread_manager_request初值为-1）

图3 创建管理线程的流程

初始化结束后，在__pthread_manager_thread中记录了轻量级进程号以及核外分配和管理的线程id， 2*PTHREAD_THREADS_MAX+1这个数值不会与任何常规用户线程id冲突。管理线程作为pthread_create()的调用者线程的 子线程运行，而pthread_create()所创建的那个用户线程则是由管理线程来调用clone()创建，因此实际上是管理线程的子线程。（此处子 线程的概念应该当作子进程来理解。）

__pthread_manager()就是管理线程的主循环所在，在进行一系列初始化工作后，进入while(1)循环。在循环中，线程以2秒为 timeout查询（__poll()）管理管道的读端。在处理请求前，检查其父线程（也就是创建manager的主线程）是否已退出，如果已退出就退出 整个进程。如果有退出的子线程需要清理，则调用pthread_reap_children()清理。

然后才是读取管道中的请求，根据请求类型执行相应操作（switch-case）。具体的请求处理，源码中比较清楚，这里就不赘述了。

3.线程栈

在LinuxThreads中，管理线程的栈和用户线程的栈是分离的，管理线程在进程堆中通过malloc()分配一个THREAD_MANAGER_STACK_SIZE字节的区域作为自己的运行栈。

用户线程的栈分配办法随着体系结构的不同而不同，主要根据两个宏定义来区分，一个是NEED_SEPARATE_REGISTER_STACK，这个属 性仅在IA64平台上使用；另一个是FLOATING_STACK宏，在i386等少数平台上使用，此时用户线程栈由系统决定具体位置并提供保护。与此同 时，用户还可以通过线程属性结构来指定使用用户自定义的栈。因篇幅所限，这里只能分析i386平台所使用的两种栈组织方式：FLOATING_STACK 方式和用户自定义方式。

在FLOATING_STACK方式下，LinuxThreads利用mmap()从内核空间中分配8MB空间（i386系统缺省的最大栈空间大小，如 果有运行限制（rlimit），则按照运行限制设置），使用mprotect()设置其中第一页为非访问区。该8M空间的功能分配如下图：

图4 栈结构示意

低地址被保护的页面用来监测栈溢出。

对于用户指定的栈，在按照指针对界后，设置线程栈顶，并计算出栈底，不做保护，正确性由用户自己保证。

不论哪种组织方式，线程描述结构总是位于栈顶紧邻堆栈的位置。

4.线程id和进程id

每个LinuxThreads线程都同时具有线程id和进程id，其中进程id就是内核所维护的进程号，而线程id则由LinuxThreads分配和维护。