从硬件角度去理解协程

Posted 2022-11-24 静默加载

2022年，虎年虎虎生威~！

前言

android 开发者来说 Kotlin 语言已经是很熟悉的了，但 Kotlin 中的 协程 不了解的同学可能还有很多。

阅读网络上大多数文章得到的关于 协程 几个关键词：

• 像是线程；
• 不是线程；
• 用户态；
• 协作式；

感觉很懵逼，我就问一个 协程 而已为什么出现这么多奇奇怪该的名词。

协程简介

维基百科：协程

协程（英語：coroutine）是计算机程序的一类组件，推广了协作式多任务的子例程，允许执行被挂起与被恢复。 相对子例程而言，协程更为一般和灵活，但在实践中使用没有子例程那样广泛。 协程更适合于用来实现彼此熟悉的程序组件，如协作式多任务、异常处理、事件循环、迭代器、无限列表和管道。

电脑物理硬件

说 协程 之前我们先聊一下计算机硬件相关的知识。

物理 cpu 数

指主板上实际插入的 cpu 硬件个数（socket）。（但是这一概念经常被泛泛的说成是 cpu 数，这很容易导致与 core 数，processor 数等概念混淆，所以此处强调是物理 cpu 数）。

由于在主板上引入多个 cpu 插槽需要更复杂的硬件支持（连接不同插槽的 cpu 到内存和其他资源），通常只会在服务器上才这样做。在家用电脑中，一般主板上只会有一个 cpu 插槽。

核数

一开始，每个物理 cpu 上只有一个核心 a single core ，对操作系统而言，也就是同一时刻只能运行一个进程/线程。 为了提高性能，cpu 厂商开始在单个物理 cpu 上增加核心（实实在在的硬件存在），也就出现了双核心 cpu（dual-core cpu）以及多核心 cpu（multiple cores），这样一个双核心 cpu 就是同一时刻能够运行两个进程/线程的。

超线程技术

同时多线程技术（simultaneous multithreading）

超线程技术（hyper–threading/HT）

本质一样，是为了提高单个 core 同一时刻能够执行的多线程数的技术（充分利用单个 core 的计算能力，尽量让其“一刻也不得闲”）。

simultaneous multithreading 缩写是 SMT，AMD 和其他 cpu 厂商的称呼。 hyper–threading 是 Intel 的称呼，可以认为 hyper–threading 是 SMT 的一种具体技术实现。

所以可以这样说：某款采用 SMT 技术的 4核心 AMD cpu 提供了 8线程 同时执行的能力；某款采用 HT 技术的 2 核心 Intel cpu 提供了 4 线程 同时执行的能力。

总的逻辑 cpu 数 = 物理 cpu 数 * 每颗物理 cpu 的核心数 * 每个核心的超线程数

线程和协程

讲 协程 的时候绝对不能不提 线程 。

线程 是操作系统能够进行运算的最小单位。

在之前一般情况下 CPU 的每个核心同一时间只能执行一个线程，除了现在比较新的 CPU 拥有上面说的使用 SMT 或者 HT 技术。

但 CPU 的核心数和 线程 的个数没有必然关系。举个很简单的例子，我一段代码可以一直创建100个线程。

CPU 根本不理解自己执行的指令属于哪个 线程，CPU 也不需要理解这些，它只需只需当前操作系统给它分配的指令就行。

在单核 CPU 时代所有的多线程其实都是多任务，多个任务交替使用 CPU资源 。

有了多核之后，运行在两个线程的任务才实现正真的并行，但电脑的实际核数永远也达不到我们运算需要的任务数量。所以多个任务交替使用 CPU资源 这种情况一直存在，但我们知道 CPP 切换执行线程的上下文都是需要消耗资源的，任务数量越多不一定执行效率更高。对于计算密集型的程序有的建议是设置线程的最佳数量为 CPU 可执行线程数的 1.5倍 或者 1倍+1 。

在这个时候我们想到能不能在异步任务之间切换的时候不切换 CPU 的上下文状态，这样可以减少很多资源的浪费。或者在 CPU 长时间执行 I/O操作 的时候让其他例程先执行，提供资源的利用率。

协程 就在这个时候产生了，协作式执行多任务的子例程。

这时候我们已经对 协程 有了初步的了解了，回头想想文章开头4个描述 协程 的说明。

• 像是线程：在部分程序执行的过程中，协程的并发执行就是利用的多线程技术（例如：没有进行改版的 Java程序 ）。所以说它像是线程；
• 不是线程：并发任务的调度不是都通过操作系统级别线程切换执行，而是程序本身支持单个线程的多个并发任务。所以也可以说它不是线程，可以叫它们纤程 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。
• 用户态：不是系统级别的线程而且能自主执行异步任务，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。
• 协作式：要求每个运行中的程序，定位放弃自己的执行权利，让多个任务一起交替执行。维基百科：协作式多任务；

Android中的协程

上面说的 协程 减少上下文切换，提供效率，那么 Android 的 kotlin 支持协程么?

kotlin 官方文档说：本质上，协程是轻量级的线程。

但就目前 Kotlin-JVM 而言来说 协程 它就是线程。其本质上还是一套基于原生 Java Thread API 的封装。

可能后续 Kotlin 的版本会有正真的协程相关的机制来代替线程。

这个时候可能我们可能就有一些疑问，既然 协程 在 Android 平台上依旧是 线程 并没有提示运行效率，Java 中的 Executor 和 Android 中的 AsyncTask 都能提供并发任务，那么 kotlin 的 协程 它有什么用？后面会有一篇文章单独讲解~！

参考资料：

一文读懂什么是进程、线程、协程

Kotlin 协程真的比 Java 线程更高效吗?

扔物线：Kotlin的协程用例瞥一眼

文章到这里就全部讲述完啦，若有其他需要交流的可以留言哦~！~！

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