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进程,线程和协程


1,任务调度

要理解进程和线程,必须要先了解一下操作系统的一些相关概念。大部分操作系统(如Windows、Linux)的任务调度是采用时间片轮转的抢占式调度方式,也就是说一个任务执行一小段时间后强制暂停去执行下一个任务,每个任务轮流执行。任务执行的一小段时间叫做时间片,任务正在执行时的状态叫运行状态,任务执行一段时间后强制暂停去执行下一个任务,被暂停的任务就处于就绪状态等待下一个属于它的时间片的到来。这样每个任务都能得到执行,由于CPU的执行效率非常高,时间片非常短,在各个任务之间快速地切换,给人的感觉就是多个任务在“同时进行”,这也就是我们所说的并发(别觉得并发有多高深,它的实现很复杂,但它的概念很简单,就是一句话:多个任务同时执行)。多任务运行过程的示意图如下:
 

操作系统中的任务调度

2,进程

我们都知道计算机的核心是CPU,它承担了所有的计算任务;而操作系统是计算机的管理者,它负责任务的调度、资源的分配和管理,统领整个计算机硬件;应用程序侧是具有某种功能的程序,程序是运行于操作系统之上的。

进程是一个具有一定独立功能的程序在一个数据集上的一次动态执行的过程,是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位,是应用程序运行的载体。进程是一种抽象的概念,从来没有统一的标准定义。进程一般由程序、数据集合和进程控制块三部分组成。

  • 程序用于描述进程要完成的功能,是控制进程执行的指令集;
  • 数据集合是程序在执行时所需要的数据和工作区;
  • 程序控制块(Program Control Block,简称PCB),包含进程的描述信息和控制信息,是进程存在的唯一标志。

进程具有的特征:

  • 动态性:进程是程序的一次执行过程,是临时的,有生命期的,是动态产生,动态消亡的;
  • 并发性:任何进程都可以同其他进程一起并发执行;
  • 独立性:进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位;
  • 结构性:进程由程序、数据和进程控制块三部分组成。

3,线程

早期的操作系统中并没有线程的概念,进程是能拥有资源和独立运行的最小单位,也是程序执行的最小单位。任务调度采用的是时间片轮转的抢占式调度方式,而进程是任务调度的最小单位,每个进程有各自独立的一块内存,使得各个进程之间内存地址相互隔离。 相当于一个进程里只有一个线程,进程本身就是线程。所以线程有时被称为轻量级进程(Lightweight Process,LWP)

​​

早期的操作系统只有进程,没有线程

 

后来,随着计算机的发展,对CPU的要求越来越高,进程之间的切换开销较大,已经无法满足越来越复杂的程序的要求了。于是就抽象出一个更小的概念——线程线程是程序执行中一个单一的顺序控制流程,是程序执行流的最小单元,是处理器调度和分派的基本单位。

一个进程可以有一个或多个线程,各个线程之间共享程序的内存空间(也就是所在进程的内存空间)。一个标准的线程由线程ID、当前指令指针(PC)、寄存器和堆栈组成。而进程由内存空间(代码、数据、进程空间、打开的文件)和一个或多个线程组成。

线程的出现,使得一个进程可以有多个线程

单线程与多线程的关系

 

4,进程与线程的区别

前面讲了进程与线程,但可能你还觉得迷糊,感觉他们很类似。的确,进程与线程有着千丝万缕的关系,下面就让我们一起来理一理:

4.1 进程是操作系统分配资源的最小单位,线程是程序执行的最小单位;

4.2 一个进程由一个或多个线程组成,线程是一个进程中代码的不同执行路线;

4.3 进程之间相互独立,但同一进程下的各个线程之间共享程序的内存空间(包括代码段、数据集、堆等)及一些进程级的资源(如打开文件和信号),某进程内的线程在其它进程不可见;

4.4 调度和切换:线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。

进程与线程的资源共享关系

(关于多线程和多核,内核态和用户态等以后再讨论)

5,协程

协程,英文Coroutines,是一种基于线程,但又比线程更加轻量级的存在,这种由程序员自己写程序来管理的轻量级线程叫做『用户空间线程』,具有对内核来说不可见的特性。

因为是自主开辟的异步任务,所以很多人也更喜欢叫它们纤程(Fiber),或者绿色线程(GreenThread)。正如一个进程可以拥有多个线程一样,一个线程也可以拥有多个协程。

5.1 协程的目的

在传统的J2EE系统中都是基于每个请求占用一个线程去完成完整的业务逻辑(包括事务)。所以系统的吞吐能力取决于每个线程的操作耗时。如果遇到很耗时的I/O行为,则整个系统的吞吐立刻下降,因为这个时候线程一直处于阻塞状态,如果线程很多的时候,会存在很多其他的线程处于等待,空闲状态(等待前面的线程执行完才能执行),造成了资源应用不彻底。

最常见的例子就是InnoDB(它是同步阻塞的),这也是为什么很多人都说数据库是瓶颈的原因。这里的耗时其实是让CPU一直在等待I/O返回,说白了线程根本没有利用CPU去做运算,而是处于空转状态。而另外过多的线程,也会带来更多的ContextSwitch(上下文切换)开销。

而协程的目的就是当出现长时间的I/O操作时,通过让出(yield)目前的协程调度,执行下一个任务的方式,来消除ContextSwitch上的开销。

5.2 协程的特点

  1. 线程的切换由操作系统负责调度,协程由用户自己进行调度,因此减少了上下文切换,提高了效率
  2. 线程的默认Stack大小是1M,而协程更轻量,接近1K。因此可以在相同的内存中开启更多的协程。
  3. 由于在同一个线程上,因此可以避免竞争关系而使用锁
  4. 适用于被阻塞的,且需要大量并发的场景。但不适用于大量计算的多线程,遇到此种情况,更好实用线程去解决。

5.3 协程的原理

当出现IO阻塞的时候,由协程的调度器进行调度,通过将数据流立刻yield掉(主动让出),并且记录当前栈上的数据,阻塞完后立刻再通过线程恢复栈,并把阻塞的结果放到这个线程上去跑,这样看上去好像跟写同步代码没有任何差别,这整个流程可以称为coroutine,而跑在由coroutine负责调度的线程称为Fiber。比如Golang里的 go关键字其实就是负责开启一个Fiber,让func逻辑跑在上面。

由于协程的暂停完全由程序控制,发生在用户态上;而线程的阻塞状态是由操作系统内核来进行切换,发生在内核态上。
因此,协程的开销远远小于线程的开销,也就没有了ContextSwitch上的开销。

 

5.4 协程和线程的比较

比较项 线程 协程
占用资源 初始单位为1MB,固定不可变 初始一般为 2KB,可随需要而增大
调度所属 由 OS 的内核完成 由用户完成
切换开销 涉及模式切换(从用户态切换到内核态)、16个寄存器、PC、SP...等寄存器的刷新等 只有三个寄存器的值修改 - PC / SP / DX.
性能问题 资源占用太高,频繁创建销毁会带来严重的性能问题 资源占用小,不会带来严重的性能问题
数据同步 需要用锁等机制确保数据的一直性和可见性 不需要多线程的锁机制,因为只有一个线程,也不存在同时写变量冲突,在协程中控制共享资源不加锁,只需要判断状态就好了,所以执行效率比多线程高很多。

参考链接:https://www.jianshu.com/p/80bde972196d

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