Java線程中用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)

內(nèi)核態(tài)用戶態(tài)是什么?

操作系統(tǒng)對(duì)程序的執(zhí)行權(quán)限進(jìn)行分級(jí)，分別為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。用戶態(tài)相比內(nèi)核態(tài)有較低的執(zhí)行權(quán)限，很多操作是不被操作系統(tǒng)允許的，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是用戶態(tài)只能訪問(wèn)內(nèi)存，防止程序錯(cuò)誤影響到其他程序，而內(nèi)核態(tài)則是可以操作系統(tǒng)的程序和普通用戶程序

內(nèi)核態(tài): cpu可以訪問(wèn)計(jì)算機(jī)所有的軟硬件資源

用戶態(tài): cpu權(quán)限受限，只能訪問(wèn)到自己內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，無(wú)法訪問(wèn)其他資源

為什么要有用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)?

系統(tǒng)需要限制不同的程序之間的訪問(wèn)能力，防止程序獲取不相同程序的內(nèi)存數(shù)據(jù)，或者外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)，并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，所有cpu劃分出兩個(gè)權(quán)限等級(jí)用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換

用戶應(yīng)用程序在用戶態(tài)下，但是如果需要執(zhí)行一些操作例如申請(qǐng)內(nèi)存，網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)時(shí)，自己的權(quán)限不夠，就需要轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)去讓內(nèi)核去幫忙干一些事情，下面三個(gè)方式會(huì)進(jìn)行轉(zhuǎn)換

1.系統(tǒng)調(diào)用

這是用戶態(tài)主動(dòng)要求切換到內(nèi)核態(tài)的一種方式，用戶進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用申請(qǐng)使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)程序完成工作，比如前列中fork()實(shí)際上就是執(zhí)行了一個(gè)創(chuàng)建新進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用。而系統(tǒng)調(diào)用的機(jī)制其核心還是使用了操作系統(tǒng)為用戶特別開(kāi)發(fā)的一個(gè)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，列表liunx的int 80h中斷

2.異常

當(dāng)cpu在運(yùn)行在用戶態(tài)下的程序時(shí)，發(fā)生了些某些事先不可知的異常，這時(shí)會(huì)觸發(fā)由當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程切換此異常的內(nèi)核相關(guān)程序中，也就轉(zhuǎn)到了內(nèi)核態(tài)

3.外圍設(shè)備的中斷

當(dāng)外圍設(shè)備完成用戶請(qǐng)求的操作后，會(huì)向CPU發(fā)出相應(yīng)的中斷信息，這時(shí)CPU會(huì)暫停執(zhí)行下一條即將執(zhí)行的指令而去執(zhí)行與中斷信號(hào)對(duì)應(yīng)的處理程序，如果先前執(zhí)行的指令時(shí)用戶態(tài)下的程序，那么這個(gè)轉(zhuǎn)換的過(guò)程自然也就發(fā)生了由用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，比如硬盤(pán)讀寫(xiě)操作完成，系統(tǒng)會(huì)切換到硬盤(pán)讀寫(xiě)的中斷處理程序中執(zhí)行后續(xù)操作等

Java線程是用戶態(tài)還是內(nèi)核態(tài)

Java線程在jdk1.2之前，是基于稱為"綠色線程"的用戶線程實(shí)現(xiàn)，但從JDK1.3起，主流平臺(tái)上的"主流"商用Java虛擬機(jī)的線程模型普遍都被替換為基于操作系統(tǒng)原生原生線程模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，即采用1:1的線程模型

操作系統(tǒng)支持怎么樣的線程模型，在很大程度想回影響上面的Java虛擬機(jī)的線程是怎么映射的，這一點(diǎn)在不同的平臺(tái)上很難達(dá)成一致，因此《Java虛擬機(jī)規(guī)范》中才不去限定Java線程需要使用哪種線程模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.證明java線程不是純粹用戶級(jí)線程：java中有個(gè)fork join框架，這個(gè)框架是利用多處理技術(shù)進(jìn)行maprudce的工作，也就證明了內(nèi)核是可以感知到用戶線程的存在，因此才會(huì)將多個(gè)線程調(diào)度到多個(gè)處理器中。還有，java應(yīng)用程序中的某個(gè)線程阻塞，是不會(huì)引起整個(gè)進(jìn)程的阻塞，從這兩點(diǎn)看，java線程絕不是純粹的用戶級(jí)線程。

2.再來(lái)證明java線程不是純粹內(nèi)核級(jí)線程：如果使用純粹的內(nèi)核級(jí)線程，那么有關(guān)線程的所有管理工作都是內(nèi)核完成的，用戶程序中沒(méi)有管理線程的代碼。顯然，java線程庫(kù)提供了大量的線程管理機(jī)制，因此java線程絕不是純粹的內(nèi)核級(jí)線程。 綜上，java線程是混合型的線程模型，一般而言是通過(guò)lwp將用戶級(jí)線程映射到內(nèi)核線程中

Java線程用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)切換

cpu采用時(shí)間輪片機(jī)制給每個(gè)線程分發(fā)執(zhí)行時(shí)間片來(lái)讓線程執(zhí)行，如果線程在進(jìn)行上下文切換，堵塞，時(shí)間片用完，睡眠，\等情況，就會(huì)發(fā)生用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換

線程切換的調(diào)度器存放于內(nèi)核中，中斷處理也在內(nèi)核。，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，如果線程當(dāng)前處于用戶態(tài)，若要發(fā)生線程切換，必然是要先進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，發(fā)生狀態(tài)切換的。線程切換的原因還可能是其他類型的中斷，或者線程自身主動(dòng)進(jìn)入等待和睡眠.這些情況無(wú)一例外會(huì)進(jìn)入內(nèi)核。

但是線程當(dāng)前就處于內(nèi)核態(tài)，也可能一樣中斷，或者主動(dòng)進(jìn)入等待或者睡眠，這也是一樣會(huì)發(fā)送的，但就是沒(méi)有了用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的狀態(tài)切換了

總而言之線程切換和狀態(tài)切換沒(méi)有直接的關(guān)聯(lián)，，只不過(guò)線程切換一般都放到內(nèi)核實(shí)現(xiàn)而已，當(dāng)然也還有所謂的用戶級(jí)線程，也就是在用戶態(tài)直接切換線程的棧和寄存器而已，這也無(wú)需切換到內(nèi)核態(tài)

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)切換性能問(wèn)題

當(dāng)發(fā)生用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換時(shí)，會(huì)發(fā)生如下過(guò)程:

• 設(shè)置處理器至內(nèi)核態(tài)。
• 保存當(dāng)前寄存器（棧指針、程序計(jì)數(shù)器、通用寄存器）。
• 將棧指針設(shè)置指向內(nèi)核棧地址。
• 將程序計(jì)數(shù)器設(shè)置為一個(gè)事先約定的地址上，該地址上存放的是系統(tǒng)調(diào)用處理程序的起始地址。
• 而之后從內(nèi)核態(tài)返回用戶態(tài)時(shí)，又會(huì)進(jìn)行類似的工作。

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的切換有一定的開(kāi)銷，如果頻繁發(fā)生切換勢(shì)必會(huì)帶來(lái)很大的開(kāi)銷，所以要想盡一切辦法來(lái)減少切換

避免頻繁切換

因?yàn)榫€程的切換會(huì)導(dǎo)致用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的切換，所以減少線程切換也會(huì)減少用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的切換。那么如何減少線程切換呢？

• 無(wú)鎖并發(fā)編程。多線程競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí)，加鎖、釋放鎖會(huì)導(dǎo)致比較多的上下文切換
• CAS算法。使用CAS避免加鎖，避免阻塞線程
• 使用最少的線程。避免創(chuàng)建不需要的線程協(xié)程。在單線程里實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度，并在單線程里維持多個(gè)任務(wù)間的切換

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的區(qū)別

操作系統(tǒng)需要兩種CPU狀態(tài)

• 內(nèi)核態(tài)（Kernel Mode）：運(yùn)行操作系統(tǒng)程序，操作硬件
• 用戶態(tài)（User Mode）：運(yùn)行用戶程序

指令劃分

• 特權(quán)指令：只能由操作系統(tǒng)使用、用戶程序不能使用的指令。 舉例：?jiǎn)?dòng)I/O 內(nèi)存清零 修改程序狀態(tài)字 設(shè)置時(shí)鐘 允許/禁止終端 停機(jī)
• 非特權(quán)指令：用戶程序可以使用的指令。 舉例：控制轉(zhuǎn)移 算數(shù)運(yùn)算 取數(shù)指令 訪管指令（使用戶程序從用戶態(tài)陷入內(nèi)核態(tài)）

特權(quán)級(jí)別

• 特權(quán)環(huán)：R0、R1、R2和R3
• R0相當(dāng)于內(nèi)核態(tài)，R3相當(dāng)于用戶態(tài)；
• 不同級(jí)別能夠運(yùn)行不同的指令集合；

CPU狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換

• 用戶態(tài)--->內(nèi)核態(tài)：唯一途徑是通過(guò)中斷、異常、陷入機(jī)制（訪管指令）
• 內(nèi)核態(tài)--->用戶態(tài)：設(shè)置程序狀態(tài)字PSW

內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)的區(qū)別

內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)是操作系統(tǒng)的兩種運(yùn)行級(jí)別，當(dāng)程序運(yùn)行在3級(jí)特權(quán)級(jí)上時(shí)，就可以稱之為運(yùn)行在用戶態(tài)。因?yàn)檫@是最低特權(quán)級(jí)，是普通的用戶進(jìn)程運(yùn)行的特權(quán)級(jí)，大部分用戶直接面對(duì)的程序都是運(yùn)行在用戶態(tài)；

當(dāng)程序運(yùn)行在0級(jí)特權(quán)級(jí)上時(shí)，就可以稱之為運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)。

運(yùn)行在用戶態(tài)下的程序不能直接訪問(wèn)操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序。當(dāng)我們?cè)谙到y(tǒng)中執(zhí)行一個(gè)程序時(shí)，大部分時(shí)間是運(yùn)行在用戶態(tài)下的，在其需要操作系統(tǒng)幫助完成某些它沒(méi)有權(quán)力和能力完成的工作時(shí)就會(huì)切換到內(nèi)核態(tài)（比如操作硬件）。

這兩種狀態(tài)的主要差別是：

• 處于用戶態(tài)執(zhí)行時(shí)，進(jìn)程所能訪問(wèn)的內(nèi)存空間和對(duì)象受到限制，其所處于占有的處理器是可被搶占的
• 處于內(nèi)核態(tài)執(zhí)行時(shí)，則能訪問(wèn)所有的內(nèi)存空間和對(duì)象，且所占有的處理器是不允許被搶占的。

通常來(lái)說(shuō)，以下三種情況會(huì)導(dǎo)致用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換

1、系統(tǒng)調(diào)用

這是用戶態(tài)進(jìn)程主動(dòng)要求切換到內(nèi)核態(tài)的一種方式，用戶態(tài)進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用申請(qǐng)使用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)程序完成工作。比如前例中fork()實(shí)際上就是執(zhí)行了一個(gè)創(chuàng)建新進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用。

而系統(tǒng)調(diào)用的機(jī)制其核心還是使用了操作系統(tǒng)為用戶特別開(kāi)放的一個(gè)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如Linux的int 80h中斷。

用戶程序通常調(diào)用庫(kù)函數(shù)，由庫(kù)函數(shù)再調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用，因此有的庫(kù)函數(shù)會(huì)使用戶程序進(jìn)入內(nèi)核態(tài)（只要庫(kù)函數(shù)中某處調(diào)用了系統(tǒng)調(diào)用），有的則不會(huì)。

2、異常

當(dāng)CPU在執(zhí)行運(yùn)行在用戶態(tài)下的程序時(shí)，發(fā)生了某些事先不可知的異常，這時(shí)會(huì)觸發(fā)由當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程切換到處理此異常的內(nèi)核相關(guān)程序中，也就轉(zhuǎn)到了內(nèi)核態(tài)，比如缺頁(yè)異常。

3、外圍設(shè)備的中斷

當(dāng)外圍設(shè)備完成用戶請(qǐng)求的操作后，會(huì)向CPU發(fā)出相應(yīng)的中斷信號(hào)，這時(shí)CPU會(huì)暫停執(zhí)行下一條即將要執(zhí)行的指令轉(zhuǎn)而去執(zhí)行與中斷信號(hào)對(duì)應(yīng)的處理程序，

如果先前執(zhí)行的指令是用戶態(tài)下的程序，那么這個(gè)轉(zhuǎn)換的過(guò)程自然也就發(fā)生了由用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。比如硬盤(pán)讀寫(xiě)操作完成，系統(tǒng)會(huì)切換到硬盤(pán)讀寫(xiě)的中斷處理程序中執(zhí)行后續(xù)操作等。

這3種方式是系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)由用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)的最主要方式，其中系統(tǒng)調(diào)用可以認(rèn)為是用戶進(jìn)程主動(dòng)發(fā)起的，異常和外圍設(shè)備中斷則是被動(dòng)的。

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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