线程与协程

前言

这篇文章是关于协程、线程与线程池的总结。相信有不少人曾经和我一样，不理解他们之间的差异和使用场景等等，那么在这篇文章，我尝试使用图解的方式对他们进行一个总结和对比，来了解他们的细节。

线程

首先是线程，考虑有一个单核的CPU、一个有很多任务(Task)的队列和一个线程(Thread)，线程从队列拿到任务Task1并准备执行，当CPU调度执行该线程的时候，那么这个时候的执行模型是这个样子的。

image.png

正常而言，如果任务都是计算型的任务，线程Thread1会一直执行下去，直到遇到操作系统调度，向线程Thread1发出中断，让线程把CPU让出来以执行别的线程。

但是，当任务有可能造成线程阻塞时，比如磁盘IO、网络IO、线程Sleep等等，CPU可能就没有耐心等待了，CPU会让Thread1收拾好自己的包袱(State)（需要一定的时间），让出CPU；然后让别的线程进来CPU运行。

image.png

线程池

线程池是为了减少创建线程和销毁线程时候的开销而发明的，如果总是在需要使用线程的时候才创建线程，又总是在使用完线程之后销毁线程，并且这样的操作很多的话，那么在线程新建和销毁上所耗费的时间将会不少；因而提出将多个线程存放到一个容器里面，每次需要使用线程的时候，将线程拿出来，当线程使用完毕以后，再讲线程放回去，以此来节省创建和销毁线程带来的开销。

还是以上的条件，使用线程池或单线程处理同样的Task时，所面临的CPU的对待是一样的，使用线程池与单线程的区别就在于，处理队列任务的线程是随机的，而不是同一个线程。

image.png

通常情况下，线程池都有多个线程，如果线程池只有一个线程，那么情景就会退化到第一种情况。

多线程

多线程是为了利用CPU的多核而存在的，在单核CPU使用多线程没有意义。

所以假设条件做一些变更，考虑有一个双核的CPU、一个有很多任务(Task)的队列和两个线程(Thread)，因为CPU是双核CPU，所以CPU能够同时执行两个线程。当两个线程同时从任务队列取任务执行时，执行模型如下。

image.png

由于CPU能够同时执行两个线程，所以相比单线程时候的情况，处理的任务的速度会快一些，但单个CPU核的处理速度是没有变化的。

当两个线程其中一个线程遇到阻塞任务时，CPU会将阻塞任务线程调出CPU核，让其他线程使用。

image.png

异步（不考虑协程）

异步的意思就是，当调用者发起一个异步调用时，调用者不能立刻得到运行的结果，而是在这个异步调用完成后，发送消息通知调用者，或者由调用者主动查询异步调用的状态以得到运行的结果。

其实以上使用队列的方式就已经是异步调用了，只不过在前面没有强调异步的概念。调用者将回调函数保存在任务里面，等线程把任务执行完，通过回调函数通知调用者；或者调用者保存任务对象的指针或引用，在恰当的时机通过指针或引用，访问这个任务的执行状态。

image.png

异步执行任务的本质还是线程，只要存在阻塞任务，线程依然会被阻塞也依然会被请出CPU。

那为什么在高并发的情况下还是推荐异步编程呢？那是因为异步不会阻塞调用者的线程，调用者在发起一个任务的时候，不需要同步的等待结果，而是可以同时去执行别的逻辑，对于执行异步任务的线程而言，阻塞时依然存在的。

协程

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。协程是承载在线程之上的，所以协程和线程的关系看起来像这个样子。

image.png

正常情况下，执行的模型是这个样子的。

image.png

当线程运行了阻塞任务的时候，任务会主动让出线程，并且将下一个任务调度线程运行，执行的模型是这样子的。需要注意的是，在这个时候，CPU里面正在运行的线程没有变，只是在线程里面执行的任务切换了而已。当Task1阻塞，Task1能够主动让出线程，Task2能够进入线程执行，等Task1处理完阻塞了并且能够继续往下运行，Task1能够重新回到线程执行；在调用者看来就好像Task1和Task2在同时运行一样（每个任务就好像在更小的一个执行单元执行——协程），而且没有CPU线程的切换，这种情况就是协程。

image.png

相比CPU切换线程，在线程切换协程有几个好处：

1. 切换协程在用户态进行 ，无需系统调用，更快
2. 调用者能够自主控制协程切换，更自由
3. 没有锁的概念，协程安全，不担心死锁等状况，省去锁的开销

原文链接