用户级线程：一个线程阻塞，整个进程阻塞的原因

你描述的现象是用户级线程的一个显著特点和主要缺点。根本原因在于：

用户级线程的调度和管理完全由用户空间的线程库（Thread Library）完成，内核对这些用户级线程的存在是“无感知”的。对于内核来说，它只知道有一个“进程”在运行，而不知道这个进程内部有多少个用户级线程。

下面我们来详细解释这一点：

  1. 内核的视角：

    • 当一个进程被调度执行时，内核调度器（操作系统的核心部分）会将CPU时间片分配给这个进程。
    • 在内核看来，无论是这个进程内部有一个线程还是上百个用户级线程，它都只把它当做一个单一的执行实体。
    • 内核只会管理进程的调度、内存、I/O等资源。

  2. 线程库的作用：

    • 用户级线程的创建、销毁、调度、同步等操作，都是由用户空间的线程库（比如POSIX Threads库，即Pthreads）来实现的。
    • 线程库在进程内部维护着所有用户级线程的上下文信息（如程序计数器、寄存器值、栈指针等）。
    • 当一个用户级线程执行时，它实际上是运行在分配给整个进程的CPU时间片内。线程库会根据自己的调度算法，在这些用户级线程之间进行用户态的上下文切换。

  3. 阻塞式系统调用（Blocking System Calls）：

    • 问题的关键在于阻塞式系统调用。当用户级线程执行一个阻塞式系统调用时（例如，read()从磁盘读取数据，write()向网络发送数据，sleep()暂停执行，或者等待某个I/O完成），它必须通过陷入内核的方式来请求操作系统服务。
    • 一旦用户级线程发出阻塞式系统调用，内核就会认为整个进程进入了阻塞状态（因为内核不知道这个进程内部还有其他用户级线程）。
    • 内核会将这个进程从运行队列中移除，放入等待队列，直到它所请求的I/O操作完成或者等待的事件发生。

  4. 结果：整个进程被挂起：

    • 由于内核已经将整个进程置于阻塞状态，并停止为其分配CPU时间片，因此，即使这个进程内部还有其他用户级线程是就绪状态，它们也无法获得CPU执行，因为整个进程已经被内核“冻结”了。
    • 这意味着，当一个用户级线程因I/O或同步操作而阻塞时，整个进程都会被阻塞，导致进程内的其他用户级线程也无法执行，就好像整个进程都“停”下来了一样。

与内核级线程的对比

为了更好地理解这一点，我们可以简单对比一下内核级线程：