linux0.11内核源码——用户级线程及内核级线程

参考资料：哈工大操作系统mooc

用户级线程

1.每个进程执行时会有一套自己的内存映射表，即我们所谓的资源，当执行多进程时切换要切换这套内存映射表，即所谓的资源切换

2.但是如果在这个进程中创建线程，共用一套资源，那么进行线程切换时，只要切换pc指针和栈指针esp即可，这样便省去了许多资源切换的操作

即资源不变但切换指令序列

　　例如，一个网页浏览器，需要有多个线程：一个线程用来从服务器接收数据 一个线程用来处理图片(如解压缩) 一个线程用来显示文本 一个线程用来显示图片

　　但是这些线程完全可以共用一套资源，即：接收数据放在某地址处，显示时要读， 所有的文本、图片都显示在一个屏幕上

那么这个浏览器的实现可能是这样的

 

 其中：　yield函数用来进行线程之间的切换

　　　　create函数就是要制造出第一次切 换时应该的样子

我们让每个线程都有一个属于自己的栈，栈顶指针esp在线程控制块全局变量tcb中维护：

 

 这样程序在往下执行时就能通过yield来进行线程切换了，注意yield最后一句jmp 204应该去掉，因为yield函数返回时，esp已经切换过去了，cpu只要正常取指令执行即可

 

然后我们来分析一个线程该有的资源：代码段，数据段，以及一个属于该线程的栈，栈顶指针esp维护着切换时要用的pc指针，还有一个tcb块，tcp.esp存的是这个线程自己的栈顶

 

 而create函数要做的有这几件事：

　　1.在用户空间申请资源：申请栈空间，tcb块

　　2.初始化线程对应的tcb：关联tcb和栈

 

 

所以所有的代码实现就是

 

 

 

内核级线程概览和用户级线程与内核级线程的区别

现代多核计算机的样子

 

 

 

 

 

内核级线程和用户级线程的图示

 

 用户级线程的缺点在于，硬件是看不到用户级线程的，因此当用户级线程所在的进程阻塞时，所有的用户级线程都会被阻塞

因此需要引入内核级线程，来充分发挥多核计算机的优势

 

内核级线程(进程)

首先，和用户级线程相比，内核级线程的ThreadCreate是系统调用，内核管理TCB，内核负 责切换线程

但是内核级线程必须和用户级线程相关联，才能完成从用户到内核的切换，因为执行的代码还在用户态，内核只是完成了线程的切换工作

 

 

所以内核线程切换后，还要再切换回对应的用户线程

关联方式：一个栈到一套栈；两个栈到两套栈

 

 具体方法：当用户态引发中断进入内核后，内核栈里保存了用户栈的栈指针ss:sp和指令指针cs:pc，然后返回时通过IRET函数进行出栈工作，让ss：sp和cs:ip再切换到对应的用户栈

 

解决完用户栈和内核栈的绑定工作，然后开始进行内核态线程的切换工作：switch_to

 

 

 

 

内核级线程切换的五个步骤：

1.从用户态->内核态（出发中断），这个步骤传给内核用户态的栈信息

 

 2.内核态线程被阻塞（时钟中断或读数据）：进入调度算法，引发切换，这个ret返回的是父进程call下面的

 

 3.调度函数找到next,引发switch_to：这个ret在父子进程里都会返回

 

 4.switch_to函数内切换内核栈：这个ret只在子进程返回

 

 5.从切换过来的内核栈IRET至用户态：返回到子进程的用户态

 

 

要注意的是，如果切换的不是线程而是进程，那么还要进行内存映射表的切换，此时只要在switch_to里增加地址映射表切换就可以

 

 

对应的，create线程函数的实现方式：

　　首先要在内核里申请一页空白页（这一个步骤对应用户态的malloc）

　　然后是申请内核栈，把用户栈也放进去

　　然后新建的tcb和内核栈绑定，处理线程的状态，加入到就绪队列里等待cpu调度就好啦！

 

 

一些性能上的对比

 

 

实际上，只要掌握了内核级线程的切换，内核级进程的切换和其极其相似，只是新增了一个映射表(所谓的资源)切换