本文從linux中的程式、執行緒實現原理開始，擴充套件到linux執行緒模型，最後簡單解釋執行緒切換的成本。
剛開始學習，不一定對，好心人們快來指正我啊啊啊！！！
linux中的程式與執行緒
首先明確程式與程式的基本概念：
- 程式是資源分配的基本單位
- 執行緒是CPU排程的基本單位
- 一個程式下可能有多個執行緒
- 執行緒共享程式的資源
基本原理
linux使用者態的程式、執行緒基本滿足上述概念，但核心態不區分程式和執行緒。可以認為，核心中統一執行的是程式，但有些是“普通程式”（對應程式process），有些是“輕量級程式”（對應執行緒pthread或npthread），都使用task_struct結構體儲存儲存。
使用fork建立程式，使用pthread_create建立執行緒。兩個系統呼叫最終都都呼叫了do_dork，而do_dork完成了task_struct結構體的複製，並將新的程式加入核心排程。
程式是資源分配的基本單位、執行緒共享程式的資源
普通程式需要深拷貝虛擬記憶體、檔案描述符、訊號處理等；而輕量級程式之所以“輕量”，是因為其只需要淺拷貝虛擬記憶體等大部分資訊，多個輕量級程式共享一個程式的資源。
執行緒是CPU排程的基本單位、一個程式下可能有多個執行緒
linux加入了執行緒組的概念，讓原有“程式”對應執行緒，“執行緒組”對應程式，實現“一個程式下可能有多個執行緒”：
- 作業系統中存在多個程式組
- 一個程式組下有多個程式（1:n）
- 一個程式對應一個執行緒組（1:1）
- 一個執行緒組下有多個執行緒（1:n）
task_struct中，使用pgid標的程式組，tgid標的執行緒組，pid標的程式或執行緒。假設目前有一個程式組，則上述概念對應如下：
- 程式組中有一個主程式（父程式），pid等於程式組的pgid；程式組下的其他程式都是父程式的子程式，pid不等於pgid
- 每個程式對應一個執行緒組，pid等於tgid。
- 執行緒組中有一個“主執行緒”（勉強稱為“主執行緒”，位的是與主程式對應；語義上絕不能稱為“父執行緒”），pid等於該執行緒組的tgid；執行緒組下的其他執行緒都是與主執行緒平級，pid不等於tgid
因此，呼叫getpgid返回pgid，呼叫getpid應返回tgid，呼叫gettid應返回pid。使用的時候不要糊塗。
程式下除主執行緒外的其他執行緒是CPU排程的基本單位，這很好理解。而所謂主執行緒與所屬程式實際上是同一個task_struct，也能被CPU排程，因此主執行緒也是CPU排程的基本單位。
tgid相同的所有執行緒組成了概念上的“程式”，只有主執行緒在建立時會實際分配資源，其他執行緒通過淺拷貝共享主執行緒的資源。結合前面介紹的普通執行緒與輕量級程式，實現“程式是資源分配的基本單位”。
舉個例子
| pgid | tgid | pid |
|---|---|---|
| 111 | 111 | 111 |
| 112 | 112 | 112 |
| 112 | 112 | 113 |
| 113 | 113 | 113 |
| 113 | 113 | 114 |
| 113 | 115 | 115 |
| 113 | 115 | 116 |
| 113 | 115 | 117 |
- 存在3個程式組111、112、113
- 程式組111下有1個父程式111，單獨分配資源
- 程式111下有1個執行緒111，共享程式111的資源
- 程式組112下有1個父程式112，單獨分配資源
- 程式112下有2個執行緒112、113，共享程式112的資源
- 程式組113下有1個父程式113，1個子程式115，各自單獨分配資源
- 程式113下有2個執行緒113、114，共享程式113的資源
- 程式115下有3個執行緒115、116、117，共享程式115的資源
- 程式組111下有1個父程式111，單獨分配資源
小結
現在再來理解linux中的程式與執行緒就容易多了：
- 程式是一個邏輯上的概念，用於管理資源，對應
task_struct中的資源 - 每個程式至少有一個執行緒，用於具體的執行，對應
task_struct中的任務排程資訊 - 以
task_struct中的pid區分執行緒，tgid區分程式，pgid區分程式組
linux執行緒模型
一對一
LinuxThreads與NPTL均採用一對一的執行緒模型，一個使用者執行緒對應一個核心執行緒。核心負責每個執行緒的排程，可以排程到其他處理器上面。Linux 2.6預設使用NPTL執行緒庫，一對一的執行緒模型。
優點：
- 實現簡單。
缺點：
- 對使用者執行緒的大部分操作都會對映到核心執行緒上，引起使用者態和核心態的頻繁切換。
- 核心為每個執行緒都對映排程實體，如果系統出現大量執行緒，會對系統效能有影響。
多對一
顧名思義，多對一執行緒模型中，多個使用者執行緒對應到同一個核心執行緒上，執行緒的建立、排程、同步的所有細節全部由程式的使用者空間執行緒庫來處理。
優點：
- 使用者執行緒的很多操作對核心來說都是透明的，不需要使用者態和核心態的頻繁切換。使執行緒的建立、排程、同步等非常快。
缺點：
- 由於多個使用者執行緒對應到同一個核心執行緒，如果其中一個使用者執行緒阻塞，那麼該其他使用者執行緒也無法執行。
- 核心並不知道使用者態有哪些執行緒，無法像核心執行緒一樣實現較完整的排程、優先順序等
多對多
多對一執行緒模型是非常輕量的，問題在於多個使用者執行緒對應到固定的一個核心執行緒。多對多執行緒模型解決了這一問題：m個使用者執行緒對應到n個核心執行緒上，通常m>n。由IBM主導的NGPT採用了多對多的執行緒模型，不過現在已廢棄。
優點：
- 兼具多對一模型的輕量
- 由於對應了多個核心執行緒，則一個使用者執行緒阻塞時，其他使用者執行緒仍然可以執行
- 由於對應了多個核心執行緒，則可以實現較完整的排程、優先順序等
缺點：
- 實現複雜
執行緒切換
linux採用一對一的執行緒模型，使用者執行緒切換與核心執行緒切換之間的差別非常小。同時，如果忽略使用者主動放棄使用者執行緒的執行權（yield）帶來的開銷，則只需要考慮核心執行緒切換的開銷。
注意，這裡僅僅是為了幫助理解做出的簡化。實際上，使用者執行緒庫在使用者執行緒的排程、同步等過程中做了很多工作，這部分開銷不能忽略。
如JVM對Thread#yield()的解釋：如果底層OS不支援yield的語義，則JVM讓使用者執行緒自旋至時間片結束，執行緒被動切換，以達到相似的效果。
什麼引起執行緒切換
- 時間片輪轉
- 執行緒阻塞
- 執行緒主動放棄時間片
執行緒切換的開銷
直接開銷
直接開銷是執行緒切換本身引起的，無可避免，必然發生。
使用者態與核心態的切換
執行緒切換隻能在核心態完成，如果當前使用者處於使用者態，則必然引起使用者態與核心態的切換。（“使用者態與核心態的切換”具體帶來什麼成本？？？）
上下文切換
前面說執行緒（或者叫做程式都隨意）資訊需要用一個task_struct儲存，執行緒切換時，必然需要將舊執行緒的task_struct從核心切出，將新執行緒的切入，帶來上下文切換。除此之外，還需要切換暫存器、程式計數器、執行緒棧（包括操作棧、資料棧）等。
執行緒排程演算法
執行緒排程演算法需要管理執行緒的狀態、等待條件等，如果根據優先順序排程，則還需要維護優先順序佇列。如果執行緒切換比較頻繁，該成本不容小覷。
間接開銷
間接開銷是直接開銷的副作用，取決於系統實現和使用者程式碼實現。
快取缺失
切換程式，需要執行新邏輯。如果二者的訪問的地址空間不相近，則會引起快取缺失，具體影響範圍取決於系統實現和使用者程式碼實現。如果系統的快取較大，則能減小快取缺失的影響；如果使用者執行緒訪問資料的地址空間接近，則本身的快取缺失率也比較低。
對頁表等快慢表式結構同理。
參考:
本文連結：淺談linux執行緒模型和執行緒切換
作者：猴子007
出處：monkeysayhi.github.io
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