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协程初识(进程、线程、协程)

    什么是进程和线程?

    进程是应用程序的启动实例,进程拥有代码和打开的文件资源、数据资源、独立的内存空间。

    线程从属于进程,是程序的实际执行者,一个进程至少包含一个主线程,也可以有更多的子线程,线程拥有自己的栈空间。


    协程初识(进程、线程、协程)(图1)

    对操作系统而言,线程是最小的执行单元,进程是最小的资源管理单元。无论是进程还是线程,都是由操作系统所管理的。

    线程的状态

    线程具有五种状态:初始化、可运行、运行中、阻塞、销毁

    协程初识(进程、线程、协程)(图2)


    线程状态的转化关系

    线程之间是如何进行协作的呢?

    最经典的例子是生产者/消费者模式,即若干个生产者线程向队列中系欸如数据,若干个消费者线程从队列中消费数据。


    协程初识(进程、线程、协程)(图3)

    生产者/消费者模式的性能问题是什么?

    1. 涉及到同步锁

    2. 涉及到线程阻塞状态和可运行状态之间的切换

    3. 设置到线程上下文的切换

    什么是协程呢?

    协程(Coroutines)是一种比线程更加轻量级的存在,正如一个进程可以拥有多个线程一样,一个线程可以拥有多个协程。


    协程初识(进程、线程、协程)(图4)

    协程不是被操作系统内核所管理的,而是完全由程序所控制,也就是在用户态执行。这样带来的好处是性能大幅度的提升,因为不会像线程切换那样消耗资源。

    协程不是进程也不是线程,而是一个特殊的函数,这个函数可以在某个地方挂起,并且可以重新在挂起处外继续运行。所以说,协程与进程、线程相比并不是一个维度的概念。

    一个进程可以包含多个线程,一个线程也可以包含多个协程。简单来说,一个线程内可以由多个这样的特殊函数在运行,但是有一点必须明确的是,一个线程的多个协程的运行是串行的。如果是多核CPU,多个进程或一个进程内的多个线程是可以并行运行的,但是一个线程内协程却绝对是串行的,无论CPU有多少个核。毕竟协程虽然是一个特殊的函数,但仍然是一个函数。一个线程内可以运行多个函数,但这些函数都是串行运行的。当一个协程运行时,其它协程必须挂起。

    进程、线程、协程的对比

    1. 协程既不是进程也不是线程,协程仅仅是一个特殊的函数,协程它进程和进程不是一个维度的。

    2. 一个进程可以包含多个线程,一个线程可以包含多个协程。

    3. 一个线程内的多个协程虽然可以切换,但是多个协程是串行执行的,只能在一个线程内运行,没法利用CPU多核能力。

    4. 协程与进程一样,切换是存在上下文切换问题的。

    上下文切换

    1. 进程的切换者是操作系统,切换时机是根据操作系统自己的切换策略,用户是无感知的。进程的切换内容包括页全局目录、内核栈、硬件上下文,切换内容保存在内存中。进程切换过程是由“用户态到内核态到用户态”的方式,切换效率低。

    2. 线程的切换者是操作系统,切换时机是根据操作系统自己的切换策略,用户无感知。线程的切换内容包括内核栈和硬件上下文。线程切换内容保存在内核栈中。线程切换过程是由“用户态到内核态到用户态”, 切换效率中等。

    3. 协程的切换者是用户(编程者或应用程序),切换时机是用户自己的程序所决定的。协程的切换内容是硬件上下文,切换内存保存在用户自己的变量(用户栈或堆)中。协程的切换过程只有用户态,即没有陷入内核态,因此切换效率高。

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