前言

用戶態和內核態：用戶線程和內核態線程有什么區別？

面試題：用戶態和內核態：用戶線程和內核態線程有什么區別？

組合型問題：

• 用戶態和內核態是什么？
• 用戶級線程和內核線程是怎樣的對應關系？
• 內核相應系統調用是怎樣的過程？
• ......

而且這個問題還關聯到了我們后面要學習的多線程、I/O 模型、網絡優化等。 所以這是一道很不錯的面試題目，它不是簡單考某個概念，而是通過讓求職者比較兩種東西，從而考察你對知識整體的認知和理解。 今天就請你順著這個問題，深入學習內核的工作機制，和我一起去理解用戶態和內核態。

一.什么是用戶態和內核態？

Kernel運行在超級權限模式(Supervisor Mode)下，所以擁有很高的權限，按照權限管理原則，多數應用程序應該運行在最小權限下，因此很多操作系統將內存分為2個區域：

• 內核空間：只有內核程序可以訪問
• 用戶空間：專門給應用程序使用

二.用戶態和內核態

用戶空間中的代碼被限制了只能使用一個局部的內存空間，我們說這些程序在用戶態（User Mode）執行。內核空間中的代碼可以訪問所有內存，我們稱這些程序在內核態（Kernal Mode） 執行。

三.系統調用過程

如果用戶態程序需要執行系統調用，就需要切換到內核態執行。下面我們來講講這個過程的原理。

如上圖所示：內核程序執行在內核態（Kernal Mode），用戶程序執行在用戶態（User Mode）。當發生系統調用時，用戶態的程序發起系統調用。因為系統調用中牽扯特權指令，用戶態程序權限不足，因此會中斷執行，也就是 Trap（Trap 是一種中斷）。

發生中斷后，當前 CPU 執行的程序會中斷，跳轉到中斷處理程序。內核程序開始執行，也就是開始處理系統調用。內核處理完成后，主動觸發 Trap，這樣會再次發生中斷，切換回用戶態工作。

四.線程模型

上面我們學習了用戶態和內核態，接下來我們從進程和線程的角度進一步思考本課時開頭拋出的問題。

1.進程和線程

一個應用程序啟動后會在內存中創建一個執行副本，這就是進程。Linux 的內核是一個 MonolithicKernel（宏內核），因此可以看作一個進程。也就是開機的時候，磁盤的內核鏡像被導入內存作為一個執行副本，成為內核進程

進程可以分成用戶態進程和內核態進程兩類。用戶態進程通常是應用程序的副本，內核態進程就是內核本身的進程。如果用戶態進程需要申請資源，比如內存，可以通過系統調用向內核申請。 那么用戶態進程如果要執行程序，是否也要向內核申請呢？ 程序在現代操作系統中并不是以進程為單位在執行，而是以一種輕量級進程（Light WeightedProcess），也稱作線程（Thread）的形式執行。一個進程可以擁有多個線程。進程創建的時候，一般會有一個主線程隨著進程創建而創建

如果進程想要創造更多的線程，就需要思考一件事情，這個線程創建在用戶態還是內核態。你可能會問，難道不是用戶態的進程創建用戶態的線程，內核態的進程創建內核態的線程嗎？其實不是，進程可以通過 API 創建用戶態的線程，也可以通過系統調用創建內核態的線程，接下來我們說說用戶態的線程和內核態的線程。

2.用戶態線程

用戶態線程也稱作用戶級線程（User Level Thread）。操作系統內核并不知道它的存在，它完全是在用戶空間中創建。 用戶級線程有很多優勢，比如。

• 管理開銷小：創建、銷毀不需要系統調用。
• 切換成本低：用戶空間程序可以自己維護，不需要走操作系統調度。

但是這種線程也有很多的缺點

• 與內核協作成本高：比如這種線程完全是用戶空間程序在管理，當它進行 I/O 的時候，無法利用到內核的優勢，需要頻繁進行用戶態到內核態的切換。
• 線程間協作成本高：設想兩個線程需要通信，通信需要 I/O，I/O 需要系統調用，因此用戶態線程需要支付額外的系統調用成本。
• 無法利用多核優勢：比如操作系統調度的仍然是這個線程所屬的進程，所以無論每次一個進程有多少用戶態的線程，都只能并發執行一個線程，因此一個進程的多個線程無法利用多核的優勢。
• 操作系統無法針對線程調度進行優化：當一個進程的一個用戶態線程阻塞（Block）了，操作系統無法及時發現和處理阻塞問題，它不會更換執行其他線程，從而造成資源浪費。

3.內核態線程

內核態線程也稱作內核級線程（Kernel Level Thread）。這種線程執行在內核態，可以通過系統調用創造一個內核級線程。 內核級線程有很多優勢。

• 可以利用多核 CPU 優勢：內核擁有較高權限，因此可以在多個 CPU 核心上執行內核線程。
• 操作系統級優化：內核中的線程操作 I/O 不需要進行系統調用；一個內核線程阻塞了，可以立即讓另一個執行。

當然內核線程也有一些缺點。

• 創建成本高：創建的時候需要系統調用，也就是切換到內核態。
• 擴展性差：由一個內核程序管理，不可能數量太多。
• 切換成本較高：切換的時候，也同樣存在需要內核操作，需要切換內核態。

五.用戶態線程和內核態線程之間的映射關系

線程簡單理解，就是要執行一段程序。程序不會自發的執行，需要操作系統進行調度。我們思考這樣一個問題，如果有一個用戶態的進程，它下面有多個線程。如果這個進程想要執行下面的某一個線程，應該如何做呢？

這時，比較常見的一種方式，就是將需要執行的程序，讓一個內核線程去執行。畢竟，內核線程是真正的線程。因為它會分配到 CPU 的執行資源。

如果一個進程所有的線程都要自己調度，相當于在進程的主線程中實現分時算法調度每一個線程，也就是所有線程都用操作系統分配給主線程的時間片段執行。這種做法，相當于操作系統調度進程的主線程；進程的主線程進行二級調度，調度自己內部的線程。 這樣操作劣勢非常明顯，比如無法利用多核優勢，每個線程調度分配到的時間較少，而且這種線程在阻塞場景下會直接交出整個進程的執行權限。 由此可見，用戶態線程創建成本低，問題明顯，不可以利用多核。內核態線程，創建成本高，可以利用多核，切換速度慢。因此通常我們會在內核中預先創建一些線程，并反復利用這些線程。這樣，用戶態線程和內核態線程之間就構成了下面 4 種可能的關系：

1.多對一（Many to One）

用戶態進程中的多線程復用一個內核態線程。這樣，極大地減少了創建內核態線程的成本，但是線程不可以并發。因此，這種模型現在基本上用的很少。我再多說一句，這里你可能會有疑問，比如：用戶態線程怎么用內核態線程執行程序？ 程序是存儲在內存中的指令，用戶態線程是可以準備好程序讓內核態線程執行的。后面的幾種方式也是利用這樣的方法。

2.一對一（One to One）

該模型為每個用戶態的線程分配一個單獨的內核態線程，在這種情況下，每個用戶態都需要通過系統調用創建一個綁定的內核線程，并附加在上面執行。 這種模型允許所有線程并發執行，能夠充分利用多核優勢，Windows NT 內核采取的就是這種模型。但是因為線程較多，對內核調度的壓力會明顯增加。

3.多對多（Many to Many）

這種模式下會為 n 個用戶態線程分配 m 個內核態線程。m 通常可以小于 n。一種可行的策略是將 m 設置為核數。這種多對多的關系，減少了內核線程，同時也保證了多核心并發。Linux 目前采用的就是該模型。

4.兩層設計（Two Level）

這種模型混合了多對多和一對一的特點。多數用戶態線程和內核線程是 n 對 m 的關系，少量用戶線程可以指定成 1 對 1 的關系。

上圖所展現的是一個非常經典的設計。

六.總結

我們這節課講解的問題、考慮到的情況以及解決方法，將為你今后解決實際工作場景中的問題打下堅實的基礎。比如處理并發問題、I/O 性能瓶頸、思考數據庫連接池的配置等，要想完美地解決問題，就必須掌握這些模型，了解問題的本質上才能更好地思考問題衍生出來的問題。

這節課我們學習了用戶態和內核態，然后我們簡單學習了進程和線程的基礎知識。 最后，我們還討論了用戶線程和內核線程的映射關系，這是一種非常經典的設計和思考方式。關于這個場景我們討論了 1 對 1、1 對多以及多對 1，兩層模型 4 種方法。日后你在處理線程池對接；遠程 RPC調用；消息隊列時，還會反復用到今天的方法。 那么通過這節課的學習，你現在是否可以來回答本節關聯的面試題目？用戶態線程和內核態線程的區別？老規矩，請你先在腦海里構思下給面試官的表述，并把你的思考寫在留言區，然后再來看我接下來的分析。?【解析】?用戶態線程工作在用戶空間，內核態線程工作在內核空間。用戶態線程調度完全由進程負責，通常就是由進程的主線程負責。相當于進程主線程的延展，使用的是操作系統分配給進程主線程的時間片段。內核線程由內核維護，由操作系統調度。?用戶態線程無法跨核心，一個進程的多個用戶態線程不能并發，阻塞一個用戶態線程會導致進程的主線程阻塞，直接交出執行權限。這些都是用戶態線程的劣勢。內核線程可以獨立執行，操作系統會分配時間片段。因此內核態線程更完整，也稱作輕量級進程。內核態線程創建成本高，切換成本高，創建太多還會給調度算法增加壓力，因此不會太多。?實際操作中，往往結合兩者優勢，將用戶態線程附著在內核態線程中執行。

七.思考題

最后我再給你出一道需要查資料的思考題：JVM 的線程是用戶態線程還是內核態線程？