用大白话讲进程和线程、协程的区别

什么是进程和线程

有一定基础的小伙伴们肯定都知道进程和线程。

进程是什么呢?

直白地讲,进程就是应用程序的启动实例。比如我们运行一个游戏,打开一个软件,就是开启了一个进程。

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。

线程又是什么呢?

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。


有人给出了很好的归纳:

对操作系统来说,线程是最小的执行单元,进程是最小的资源管理单元。

无论进程还是线程,都是由操作系统所管理的。

Java中线程具有五种状态:

初始化

可运行

运行中

阻塞

销毁

这五种状态的转化关系如下:


但是,线程不同状态之间的转化是谁来实现的呢?是JVM吗?

并不是。JVM需要通过操作系统内核中的TCB(Thread Control Block)模块来改变线程的状态,这一过程需要耗费一定的CPU资源。

进程和线程的痛点

线程之间是如何进行协作的呢?

最经典的例子就是生产者/消费者模式

若干个生产者线程向队列中写入数据,若干个消费者线程从队列中消费数据。

这段代码做了下面几件事:

1.定义了一个生产者类,一个消费者类。

2.生产者类循环100次,向同步队列当中插入数据。

3.消费者循环监听同步队列,当队列有数据时拉取数据。

4.如果队列满了(达到5个元素),生产者阻塞。

5.如果队列空了,消费者阻塞。

上面的代码正确地实现了生产者/消费者模式,但是却并不是一个高性能的实现。为什么性能不高呢?原因如下:

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.涉及到线程上下文的切换。

以上涉及到的任何一点,都是非常耗费性能的操作。

这个时候我们的主角 携程,啊!!! 不对不是这个携程,是协程!!! 就要登场了。

协程,英文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,一个线程也可以拥有多个协程。协程的调度完全由用户控制。协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时,将寄存器上下文和栈保存到其他地方,在切回来的时候,恢复先前保存的寄存器上下文和栈,直接操作栈则基本没有内核切换的开销,可以不加锁的访问全局变量,所以上下文的切换非常快。协程与线程主要区别是它将不再被内核调度,而是交给了程序自己而线程是将自己交给内核调度,所以也不难理解golang中调度器的存在。

最重要的是,协程不是被操作系统内核所管理,而完全是由程序所控制(也就是在用户态执行)。

这样带来的好处就是性能得到了很大的提升,不会像线程切换那样消耗资源。



这段代码十分简单,即使没用过python的小伙伴应该也能基本看懂。

代码中创建了一个叫做consumer的协程,并且在主线程中生产数据,协程中消费数据。

其中yield 是python当中的语法。当协程执行到yield关键字时,会暂停在那一行,等到主线程调用send方法发送了数据,协程才会接到数据继续执行。

但是,yield让协程暂停,和线程的阻塞是有本质区别的。协程的暂停完全由程序控制,线程的阻塞状态是由操作系统内核来进行切换。

因此,协程的开销远远小于线程的开销。

协程的应用

有哪些编程语言应用到了协程呢?我们举几个栗子:

Lua语言

Lua从5.0版本开始使用协程,通过扩展库coroutine来实现。

Python语言

正如刚才所写的代码示例,python可以通过 yield/send 的方式实现协程。在python 3.5以后, async/await 成为了更好的替代方案。

Go语言

Go语言对协程的实现非常强大而简洁,可以轻松创建成百上千个协程并发执行。

Java语言

如上文所说,Java语言并没有对协程的原生支持,但是某些开源框架模拟出了协程的功能,有兴趣的小伙伴可以看一看Kilim框架的源码:

https://github.com/kilim/kilim

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