绿色线程: 原理与实现
引言: 绿色线程(Green threads)即在用户态实现的线程, 是相对于操作系统线程(Native threads)提出的概念. 绿色线程完全由编程语言运行时环境或VM进行调度管理, 实现的是合作式的”伪”并发. 在Java 1.1中, 绿色线程是JVM中唯一的线程模型, 当时的人们普遍认为绿色线程避免了频繁的内核态-用户态切换, 在一些特定场景下可以达到更好的性能. 然而, 随着操作系统和编程语言的发展, 绿色线程由于种种原因逐渐被抛弃. 直到近年来, Go语言中goroutine的广泛使用, 用户态线程管理这一技术才重新吸引了人们的目光.
Why Threads in User Space
在分析实现原理前, 我们首先来思考一下, 既然操作系统底层已经提供了的完整的线程支持, 为什么还需要用户态线程? 前面我们提到了Go近年来迅猛发展, 而这里的答案也正与goroutine擅长处理的场景有关: 高并发.
对于并发场景, 常见的处理方式有以下几种:
- 多进程, 例如Apach的Prefork模式
- 多线程+锁, Java开发中最常用的模式
- 异步回调+事件驱动, 例如node.js
- 用户态线程/协程/纤程/绿色线程, 例如goroutine
其中, 进程消耗系统资源相对较大, 因此多进程并不适合高并发场景; 多线程避免了进程的堆, 地址空间等资源的重复分配, 相比于多进程, 大大降低了多任务并行调度的开销; 回调+事件轮询的处理模型采用了不同的思路, 通过非阻塞的方式保持CPU的持续运转; 用户态线程则是将线程的调度逻辑从内核态转移到了用户态, 相较于多线程进一步地减少了调度的开销, 实现了更细粒度的控制.
用户态线程的优势主要在于:
- 调度代价小: 用户态线程避免了特权级的转换, 而且仅使用部分寄存器即可完成上下文切换(见下文实现).
- 内存占用少: 内核线程的栈空间通常为1-2MB, 用户态线程(如goroutine)栈空间最小可以到2KB, 一个golang程序可以轻松支持10万级别的goroutine运行, 作为对比, 1000个系统线程已经需要至少1-2GB的内存了.
- 解决回调地狱: 用户态线程可以简化异步回调的代码, 提升开发人员编码的简洁性和可读性.
实现原理
线程结构体
为了实现绿色线程, 我们首先需要确定描述一个线程需要哪些信息. 根据线程的定义不难发现, 描述线程的结构体应该包括:
- 线程ID
- 运行状态
- PC
- 通用寄存器
- 栈
在x86_64架构下, 上述线程描述可以用以下代码来表示:
struct Thread {
_id: usize,
stack: Vec<u8>,
ctx: ThreadContext,
state: State,
}
struct ThreadContext {
rsp: u64,
r15: u64,
r14: u64,
r13: u64,
r12: u64,
rbx: u64,
rbp: u64,
}
enum State {
Available,
Running,
Ready,
}