【README】

1.本文内容总结自 B站 《操作系统-哈工大李治军老师》，内容非常棒，墙裂推荐；

2.为什么要讲线程呢。实际要讲进程的切换；进程的切换包括切换指令，切换资源；切换指令就是切换线程（简单讲，线程就是程序指令，线程的切换就是程序指令的切换）；

• 进程必须在内核中，切换进程实际上是切换内核级线程，而不是用户级线程；
• 但切换用户级线程是切换内核级线程的一部分；

2）为什么没有用户级进程？

• 因为进程要分配资源，如访问内存，所以必须进入内核态才能访问这些资源；

---

【1】开始核心级线程

1） 多核：多个物理cpu，但共用同一个缓存，同一个MMU内存映射单元；
2）多处理器：多个物理cpu，每个cpu有自己的缓存，自己的MMU内存映射单元；

【补充1】内存映射单元

• 内存逻辑地址 与 内存物理地址 映射表；

【补充2】并发与并行区别

• 并发：交替执行（单核运行多个线程，相互有影响）；
• 并行：同时执行（多个线程在多个物理核上运行，可以理解一个核运行一个线程，相互独立不干扰）；

3）用户级线程与内核级线程

• 用户级线程（缺点）：操作系统看不到，操作系统无法分配硬件，没有发挥出多核价值；
• 多进程：也无法发挥多核价值，因为只有一套MMU，无法做到多个进程同时执行；
• 内核级线程（优点）： 操作系统可以看到，为每个线程分配一个cpu，发挥出多核价值，多个内核线程可以同时执行（并行执行）；

---

【1.1】内核级线程原理

1）要有核心级线程，需要既在用户态（用户栈）运行，也在内核态（内核栈）运行；
所以 每个内核级线程需要一套栈（包括用户栈，内核栈），而不一个栈；
即 内核线程切换，需要TCB切换一套栈，切换用户栈和内核栈；

---

【1.2】用户栈与内核栈

1）用户栈与内核栈组成同一个线程的一套栈；
2）INT 0x80 中断指令：使得 进程（线程）从用户态切换到内核态；
3）进入内核态前，把线程的用户栈信息（元数据）压入到内核栈，即把同一个线程的用户栈与内核栈关联起来，如下表所示：

内核栈（栈元素）	含义（对应用户栈的寄存器值）
源SS	用户态的ss寄存器值； ss 指的是堆栈段寄存器；存放栈的段基址；内存是分段使用的；
源SP	用户态的栈指针寄存器值； sp指的是堆栈指针寄存器；存放栈的偏移地址； 说的直白点， 栈基址（栈起始内存地址）=段基址左移n位 加上偏移地址；如n取4 ；
EFLAGS	用户态的标志寄存器值；
源PC	用户态的pc寄存器值； pc=程序计数器寄存器；
源CS	用户态的cs寄存器值；cs=代码段寄存器；

4）用户栈与内核栈的关联：

5） IRET （从内核态切换到用户态）

• 出栈：把内存中内核栈的5个寄存器值弹出到cpu的寄存器中，回到用户态；

6）用户态切换到内核态的步骤

6.1) sys_read() ：启动磁盘读，把自己变成阻塞状态（等待磁盘控制器响应时，当前线程阻塞，cpu需要切换运行其他线程）；

6.2）switch_to(cur, next)
切换到下一个内核线程； cur表示当前线程tcb，next表示下一个线程tcb；具体过程：

• 通过线程tcb找到内核栈指针；
• 通过ret切换到某个内核程序；
• 用cs:pc 切换到用户程序；

上图中， 线程S调用函数A， 线程T调用函数C；

• PC=?? 表示 线程T的用户态代码；
• CS=?? 表示  线程T的用户态代码；
• ???? 表示 iret指令，从中断返回；

6.3）内核线程切换 switch_to 实际上是对两套栈的切换；每套栈包含用户栈和内核栈；

---

【2】内核线程切换switch_to 五段论（*非常重要）

1）五段论步骤

步骤	描述
1	用户态1切换到内核态1； 把用户态1的物理寄存器的值保存到内核栈1；（完成用户栈切换到内核栈）
2	执行读磁盘等中断操作；触发中断；
3	因为中断，调用 switch_to 切换到其他内核线程，如线程2；
4	Switch_to函数找到内核线程2的tcb，通过tcb找到内核线程2的内核栈2； 切换到内核栈2（完成内核栈间的切换）；
5	通过 iret 把内核栈2中保存的用户态2的寄存器值弹出到物理寄存器； 即 ss:sp, cs:ip 通过内核栈2的用户态寄存器值赋值，从而完成从内核态2切换到用户态2；（完成内核栈切换到用户栈）

 用户线程与内核线程：用户线程与内核线程实际上同一个线程；

• 当操作的内存空间在用户态，则是用户线程；
• 当操作的内存空间在内核态，则是内核线程；

2）附加段：进程切换（S,T）；

• 进程切换还需要切换映射表；

3）创建线程代码细节 （tcb 是对线程的结构体抽象）

void threadCreate() {   TCB tcb = get_free_page(); // 申请一段内存作为tcb；   *krlstatck = …; // 申请一段内存作为内核栈；   *userstack 传入； // 用户栈   填写两个stack； // 内核栈与用户栈初始化   tcb.esp = krlstack; // tcb 关联内核栈   tcb.状态=就绪；// 状态为就绪   tcb入队； }

 4）用户级线程与核心级线程对比

用户灵活性， 用户线程大于核心线程；
原因：

• 用户线程的调度，开发人员可以自己编写调度策略进行控制，如调用 yield让出cpu；
• 而内核级线程无法修改调度，即内核线程调度策略是操作系统写死的，无法修改；