Kotlin---协程(Coroutine)介绍

线程与进程

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。

线程属于进程，是CPU执行的最小单元。一个进程至少包含一个主线程，也可以拥有多个子线程。线程拥有独立的栈空间。而各个线程共享着进程的代码、内存
、文件FD等。

进程与线程

而线程有如下几种状态：

• 初始化
• 可执行
• 执行中
• 阻塞
• 销毁

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线程的调度

对于线程调度，Linux以及其他的操作系统都采用了CFS调度策略（完全公平调度），在操作系统的Ring0的层面来进行线程的调度，来保证每个线程可以根据nice值以及其他的策略来保证每个线程所执行的虚拟时间相对公平。

每次线程的切换，都必须通过系统调用从Ring3的应用层调用到Ring0的内核层进行切换，而在内核层保存切换的线程Context，包括当前各个寄存器的值、缓存读取等等。这一切都是一笔不小的开销。

协程的原理

协程的概念从很早之前就提出来了，协程的介绍可以从Coroutine中了解。而每种语言的协程实现也有不同，Go，Lua等等的实现方式也不经相同，但是大体一致。

协程是在应用层模拟的线程，避免了线程在应用层与内核层切换的消耗，同时也对并发提供了不错的支持。

协程会在当前线程中建立协程的上下文环境，以保存当前执行的代码、栈帧、变量等等，当协程切换时，上下文环境也会切换，但是这些环境的切换仅仅只局限于应用层对于协程的调度，而不会陷入内核进行切换。

而协程切换完成后，也会继续在当前线程执行切换完成的协程。

协程的优势

• 线程中建立协程的函数调用栈，不需要深入内核创建
• 协程中任务阻塞时，线程会切换协程，减少陷入内核后的线程Context切换
• 减少线程休眠与阻塞的时间，更加拟合CPU的运行状态

Kotlin中的协程

在Kotlin1.3版本中，也提供了对应的协程库。而在1.3之前的Kotlin版本中，Coroutine则是作为Experimental的功能提供的。

Kotlin中的协程也是通过线程池来实现的。而在Kotlin中，在线程之上也建立了在线程中类似于Looper+Handler的机制，让协程可以在多个线程中切换，以及进行数据的传递。

举例

例如，有A线程需要等待50个任务执行完后，才能继续执行，通常我们会开一个线程池来复用线程，以避免创建和销毁线程的开销。而当使用CountDownLatch或者CyclicBarrier来检测已经完成任务的个数时，会需要切换到A线程，进行自旋检测是否任务均已完成，而每次自旋时，CPU都是打满的状态，无法执行其他有意义的任务，直到线程切换。

这也就造成了CPU确实在运行，但是执行的都是无意义的代码。

而协程则可以比较好的避免这一点，虽然协程也是通过多线程实现的，并且协程也都会在多线程中执行。但是当该协程需要等待时，则协程会进行切换，但是切换的另一个协程还是运行在同一个线程中。但是也有可能协程会在多个线程中执行。所以数据必须要进行同步。

也就是：当某个协程需要等待或者阻塞时，它并不会导致线程的阻塞，而是会在当前线程保存当前协程的上下文环境（调用栈、执行代码偏移量等等），再获取下一个要执行的协程，切换上下文环境，执行该协程。

所以，协程的切换不会导致线程的阻塞，也不会让线程提前陷入内核进行切换，有效的提高了CPU的使用率，并且减少了线程上下文切换所消耗的时间。不过，数据的同步与操作的原子性依然还需要继续保持。

总结

1. 协程是Ring3级别的"线程"，但是一切操作都在Ring3中完成
2. 协程的实现也是通过线程，也可以实现异步
3. 协程也支持各个协程间的通信
4. 协程之间的切换的损耗小于线程
5. 协程间的数据也需要做同步
6. 协程之间的切换也需要保存当前协程的状态，但是不需要陷入内核态

参考资料

golang的协程原理
深入浅出Kotlin协程
Kotlin Coroutines(协程)
深入理解 Kotlin Coroutine (一)
深入理解 Kotlin coroutine (二)