【计算机基础】进程、线程、协程的区别

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一、引言

1.1 单核和多核CPU的区别

单核CPU（Central Processing Unit）和多核CPU是计算机处理器的两种类型，它们在核心数量方面存在区别，影响着计算性能和并发能力。

1. 单核CPU：

单核CPU只有一个物理核心，能够一次执行单个指令流。它通过在一个时刻执行一个指令，按照时钟周期依次处理计算任务。因为只有一个核心，所以单核CPU的执行能力有限，不能同时处理多个任务。在多任务环境下，单核CPU通过快速切换任务之间的执行，给人一种并行执行的感觉，但实际上是通过时间片轮转的方式进行切换，造成任务执行的间隔和延迟。

2. 多核CPU：

多核CPU具有多个物理核心，每个核心都能独立执行指令流。一个多核CPU可以同时处理多个任务，提供更高的并行处理能力。多核CPU能够并行地执行多个任务，提高程序的整体性能和响应能力。不同的核心可以同时执行不同的任务，也可以协同工作以提高整体的计算能力。

1.2 区别总结

• 单核CPU只有一个物理核心，能够一次执行单个指令流。多核CPU则拥有多个物理核心。
• 单核CPU在多任务环境下通过快速切换完成任务执行，而多核CPU能够同时处理多个任务，并行执行。
• 多核CPU具备更高的并发处理能力和计算性能，可以提供更好的系统响应能力和任务处理效率。
  在实际应用中，多核CPU常被广泛应用于需要高性能和并行计算的场景，如科学计算、图形渲染和服务器处理等。而单核CPU则可以用于一些较为简单的计算任务或嵌入式设备中，要求较低的计算需求。

CPU要同时执行多个任务怎么办
✅单核CPU是怎么执行多任务的呢？
启动一个进程，在一个进程内启动多个线程，这样，多个线程也可以一块执行多个任务。
答案就是操作系统轮流让各个任务交替执行，任务1执行0.01秒，切换到任务2，任务2执行0.01秒，再切换到任务3，执行0.01秒……这样反复执行下去。表面上看，每个任务都是交替执行的，但是，由于CPU的执行速度实在是太快了，我们感觉就像所有任务都在同时执行一样。

✅多核CPU是如何执行多任务的呢？
启动多个进程，每个进程虽然只有一个线程，但多个进程可以一块执行多个任务。
真正的并行执行多任务只能在多核CPU上实现，但是，由于任务数量远远多于CPU的核心数量，所以，操作系统也会自动把很多任务轮流调度到每个核心上执行。

当然还有第三种方法，就是启动多个进程，每个进程再启动多个线程，这样同时执行的任务就更多了，当然这种模型更复杂，实际很少采用。

✅总结一下，多任务的实现有3种方式：
多进程模式；
多线程模式；
多进程+多线程模式。

二、进程

2.1什么是进程？

✅什么是进程：进程正在运行的程序
进程的状态：创建状态；就绪状态；执行状态；阻塞状态；终止状态

✅什么是进程（Process）
(1)进程是动态过程而不是静态实物。
(2)进程就是程序的一次运行过程，一个静态的可执行程序a.out的一次运行过程（./a.out去运行到结束）就是一个进程。
(3)进程控制块PCB（process control block），内核中专门用来管理一个进程的数据结构。

2.2进程ID

进程ID是操作系统给每个进程分配的编号，用来唯一标识进程。
getpid（获取当前进程自己的IP）、getppid（获取当前进程自己的父进程的IP）、getuid（获取当前进程用户IP）、geteuid、getgid、getegid

2.3多进程调度原理

(1)操作系统同时运行多个进程。逻辑可以看做是只能运行当个进程的操作系统。因为逻辑里面的CPU只能做到运行一个进程的能力，这个是硬件限制和决定了它没有操作系统。而高等CPU能处理多个进程，因此可以安装操作系统。
(2)宏观上的并行（人眼看到进程好像是同时运行的）和微观上的串行
(3)实际上现代操作系统最小的调度单元是线程而不是进程。调度就是操作系统根据进程的差异有选择性的决定谁先运行，谁后运行，这样处理效率就提高了。就好像我们自己手上有很多事情，根据重要性排序进行前后执行。

2.4进程运行的虚拟地址空间

(1)操作系统中每个进程在独立地址空间中运行
(2)每个进程的逻辑地址空间均为4GB（32位系统）
(3)0-1G为OS，1-4G为应用
(4)虚拟地址到物理地址空间的映射
(5)意义。为了提高安全性进行进程隔离，提供多进程同时运行，互不影响。
也就是说进程有多个，但是单核CPU只有一个，不可能同时处理多个进程，因此要完成物理内存就是内存条的大小。

三、协程

3.1 协程的定义

学习协程之前需要对进程和线程有所了解，因为它们之间的关系非常紧密。
进程（Process）：对于操作系统来说，一个任务就是一个进程，比如打开一个浏览器就是启动一个浏览器进程，打开两个记事本就启动了两个记事本进程。
线程（Thread）：有些进程还不止同时干一件事，比如Word，它可以同时进行打字、拼写检查、打印等事情。在一个进程内部，要同时干多件事，就需要同时运行多个“子任务”，我们把进程内的这些“子任务”称为线程。
协程（coroutine）：协程是一种并发编程的概念，它可以看作是可以暂停和恢复执行的函数。与线程或进程不同，协程是在同一线程内执行的，因此协程的切换开销较小，能够更高效地利用计算资源。协程可以在执行过程中暂停，并将控制权让出给其他协程或主程序，待某个条件满足后再恢复执行。这种方式可以实现更灵活的任务调度，提升程序的性能和响应能力。

3.2 协程的特点

协程的特点在于是一个线程执行，那和多线程比，协程有何优势？
最大的优势：协程极高的执行效率。因为子程序切换不是线程切换，而是由程序自身控制，因此，没有线程切换的开销，和多线程比，线程数量越多，协程的性能优势就越明显。
第二大优势：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。
因为协程是一个线程执行，那怎么利用多核CPU呢？最简单的方法是多进程+协程，既充分利用多核，又充分发挥协程的高效率，可获得极高的性能。

3.3 协程与异步的关系

✅协程（Coroutine）是一种能够在异步任务中实现暂停和恢复的特殊函数。它可以与异步编程一起使用，以实现并发和并行的异步操作。
✅异步编程是一种并发编程范式，旨在处理需要等待IO操作或耗时任务的程序。它通过将任务分割成小块，并在任务等待期间切换到其他任务，以提高程序的效率和响应能力。
✅协程作为异步编程的一种实现方式，通过使用异步函数和关键字await，能够在需要等待IO操作或其他异步任务完成时主动挂起自身，让出CPU资源给其他任务执行。一旦等待的操作完成，协程可以恢复执行，并继续在等待之前的位置继续执行。
✅在Python中，协程常常与异步框架（如asyncio）一起使用，通过事件循环（Event Loop）来管理和调度协程的执行。异步框架提供了一种机制，可以协调多个协程之间的执行，并实现非阻塞式的并发操作。

协程和异步的关系可以总结如下：
✅1. 异步是一种编程范式，用于处理需要等待IO或耗时操作的程序，目的是提高效率和响应能力。
✅ 2. 协程是一种特殊的函数，可以在异步任务中实现暂停和恢复，以实现异步操作和任务的并发执行。
✅ 3. 通过使用异步函数和关键字await，协程能够在需要等待操作完成时主动挂起，让出CPU资源给其他任务。
✅4. 异步框架提供了事件循环来管理和调度协程的执行，协调多个协程的并发操作。
总之，协程是异步编程的一种实现方式，通过挂起和恢复来实现任务的并发执行和异步操作。异步编程与协程结合使用，能够提高程序的效率和响应能力，适用于处理IO密集型和并发性高的应用场景。

四、举例说明进程、线程以及协程之间的关系

用通俗易懂的方式举例说明进程、线程以及协程之间的关系：
以组建一个模型飞机为例，这需要完成多个任务，比如剪纸板、组装零件、喷涂颜色等。
进程：进程可以看作是组建模型飞机的整个过程。它包括了所有的任务和资源。
线程：线程可以看作是进程中具体的工作单位。比如将剪纸板、组装零件、喷涂颜色等任务分别看作是不同的线程。每个线程都独立地完成特定的任务，但它们共享进程的资源，比如剪刀、胶水和颜料等。
协程：协程可以看作是在线程中的相互配合和协作。假设在组装零件的线程中，要先剪纸板，然后再组装。我们可以把剪纸板和组装这两个任务看作是协程。当我们开始剪纸板时，可以先将组装任务暂时挂起，并在剪纸板完成后恢复组装任务。这样就在同一个线程中交替进行剪纸板和组装操作，提高效率和性能。

什么是异步函数？

异步函数（Async Function）是一种能够异步执行的特殊函数，它可以在执行过程中暂停和恢复，以便于处理耗时的操作、IO操作或等待其他任务完成。
在Python中，异步函数通常使用async关键字来定义。这样的函数可以包含await表达式，用于挂起函数的执行，等待异步操作的完成。当遇到await时，函数将暂停执行，将控制权交给事件循环（Event Loop），以便执行其他任务。一旦被等待的异步操作完成，函数将在恢复执行前等待的位置继续执行。
异步函数通常与协程（Coroutine）一起使用，协程是一种特殊的异步函数。协程可以在异步调度管理下，实现并发和并行执行多个任务。通过协程，可以避免线程或进程之间的上下文切换开销，提高程序的性能和响应能力。
异步函数在处理IO密集型任务（如网络请求、文件读写等）时非常高效，因为它们能够在等待IO完成时释放CPU资源，而不会阻塞主线程。这样能够避免浪费CPU时间，在等待IO的过程中可以同时处理其他任务。
以下是一个简单的异步函数示例，用于使用异步方式下载网页内容：

import asyncio
import aiohttp
async def download_page(url):
    async with aiohttp.ClientSession() as session:
        async with session.get(url) as response:
            return await response.text()
# 使用异步方式下载网页
async def main():
    url = "https://example.com"
    content = await download_page(url)
    print(content)
# 创建事件循环并运行异步函数
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(main())

在上述示例中，download_page函数使用aiohttp库进行异步网络请求。在main函数中，我们使用await关键字调用download_page异步函数，等待其返回网页内容。最后，通过运行事件循环，我们可以执行main函数并获取异步函数的结果。

总结

进程是一个包含多个任务和资源的整体，可以看做是飞机模型的组装过程。
线程是进程中的具体任务执行者，比如剪纸板、组装零件等。
协程是在线程中相互配合和协作的小任务，比如剪纸板和组装在同一个线程中的交替执行。通过合理的使用线程和协程，可以提高任务的并发性和响应能力，使整个组装过程更加高效和流畅。