Python 中的协程 基础概念

Posted 2021-02-09 wang-kai-1994

1 进程和线程

进程 Process：一个正在运行的应用程序在操作系统中被视为一个进程，进程可以包括一个或多个线程。线程是操作系统分配处理器时间的基本单元，在进程中可以有多个线程同时执行代码。进程之间是相对独立的，一个进程无法访问另一个进程的数据（除非利用分布式计算方式）。

线程 Thread： 线程是进程中的基本执行单元，是操作系统分配CPU时间的基本单位，一个进程可以包含若干个线程，在进程入口执行的第一个线程被视为这个进程的主线程。线程主要是由CPU寄存器、调用栈和线程本地存储器（Thread Local Storage，TLS）组成的。CPU寄存器主要记录当前所执行线程的状态，调用栈主要用于维护线程所调用到的内存与数据，TLS主要用于存放线程的状态信息。线程的本质：线程不是一个计算机硬件的功能，而是操作系统提供的一种逻辑功能，线程本质上是进程中一段并发运行的代码，所以线程需要操作系统投入CPU资源来运行和调度。

进程和线程的区别：进程和线程的主要差别在于它们是不同的操作系统资源管理方式。进程有独立的地址空间，一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其它进程产生影响，而线程只是一个进程中的不同执行路径。线程有自己的堆栈和局部变量，但线程之间没有单独的地址空间，一个线程死掉就等于整个进程死掉，所以多进程的程序要比多线程的程序健壮，但在进程切换时，耗费资源较大，效率要差一些。但对于一些要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作，只能用线程，不能用进程。

1. 一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程。

2. 线程的划分尺度小于进程，使得多线程程序的并发性高。

3. 进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享内存，从而极大地提高了程序的运行效率。

4. 线程在执行过程中与进程还是有区别的。每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。但是线程不能够独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。

5. 从逻辑角度来看，多线程的意义在于一个应用程序中，有多个执行部分可以同时执行。但操作系统并没有将多个线程看做多个独立的应用，来实现进程的调度和管理以及资源分配。这就是进程和线程的重要区别

 

2 同步（Sync）和异步（Async）

同步 ：就是发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回或继续执行后续操作。

异步 ：当一个异步过程调用发出后，调用者在没有得到结果之前，就可以继续执行后续操作。当这个调用完成后，一般通过状态、通知和回调来通知调用者。对于异步调用，调用的返回并不受调用者控制。

对于通知调用者的三种方式，具体如下：

1. 状态，即监听被调用者的状态（轮询），调用者需要每隔一定时间检查一次，效率会很低。

2. 通知，当被调用者执行完成后，发出通知告知调用者，无需消耗太多性能

3. 回调，与通知类似，当被调用者执行完成后，会调用调用者提供的回调函数。

同步和异步的区别 ： 请求发出后，是否需要等待结果，才能继续执行其他操作。

 

3 阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞这两个概念仅仅与等待消息通知时的状态有关。跟同步、异步没什么太大关系，也就是说阻塞与非阻塞主要是程序（线程）等待消息通知时的状态角度来说的。

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态。

阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。

非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

4 并发并行

并发： 是指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，且这几个程序都是在同一个处理机上运行，但任一个时刻点上只有一个程序在处理机上运行。并发(Concurrent)。

并行：当一个CPU执行一个线程时，另一个CPU可以执行另一个线程，两个线程互不抢占CPU资源，可以同时进行，这种方式我们称之为并行(Parallel)。

并发和并行的区别：并发的关键是你有处理多个任务的能力，不一定要同时；但是并行的关键是你有同时处理多个任务的能力。

 

5 关键概念的区分

（1）阻塞/非阻塞：关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态

（2）同步/异步：关注的是消息通知的机制。即等到完全做完才通知，还是边做不后通知。

（3）同步阻塞、同步非阻塞，异步阻塞、异步非阻塞。

　　举个简单的例子来描述这四种情况，老张要做两件事，用水壶烧开水，看电视，两件事情即两个任务，两个函数。 同步阻塞：老张把水壶放到火上，就坐在那里等水开，开了之后我再去看电视。（） 同步非阻塞：老张把水壶放到火上，去客厅看电视，时不时去厨房看看水开没有。（同步非阻塞） 老张还是觉得自己有点傻，于是变高端了，买了把会响笛的那种水壶。水开之后，能大声发出嘀~~~~的噪音。 异步阻塞：老张把响水壶放到火上，然后就坐在旁边等着听那个烧开的提示音。（异步阻塞） 异步非阻塞：老张把响水壶放到火上，去客厅看电视，水壶响之前不再去看它了，响了再去拿壶。（异步非阻塞） 乍一看，这“同步阻塞、意不阻塞”似乎没有什么区别，但实际上是有区别的，所谓同步异步，指的是消息通知的机制。区别在哪里呢？ 在这个例子中同步异步只是对于水壶而言。在使用普通水壶的时候，我要自己主动去观察水是不是烧开了，自己主动去获取烧开的这个结果，即所谓的同步；但是在响水壶的时候，我不需要再管水烧到什么程度了，因为只要水烧开了，那个滴滴的噪声就会通知我的，即所谓的异步。 他们的相同点是，在烧水的过程中，老王啥也没干，即“阻塞”。

（4）四种总结——同步/异步与阻塞/非阻塞

　　同步阻塞形式：效率是最低的。拿上面的例子来说，在烧水的过程中，什么别的事都不做。

　   同步非阻塞形式：实际上是效率低下的。因为老王需要不断的在看电视与烧水之间来回跑动，看一下电视，又要去看一下水烧开没有，这样来回跑很多次，在程序中，程序需要在这两种不同的行为之间来回的切换，效率可想而知是低下的。

　　异步阻塞形式：异步操作是可以被阻塞住的，只不过它不是在处理消息时阻塞，而是在等待消息通知时被阻塞。 这个效率其实跟同步阻塞差不多的。

　　异步非阻塞形式：效率更高。因为老王把水烧好之后就不用管了，可以安安心心去看电视，不用来回奔波看水烧开了没，因为水烧开了会有提示告诉他水烧好了，这样效率岂不是更高。 那有没有更好的办法？当然有，如果老王还有一个帮手老张，让老王自己看电视、同时老张去烧开水，这样岂不是更好？这就是所谓的并行

（5）并发/并行、同步/异步、阻塞/非阻塞

　　并发/并行：即能够开启多个任务，多个任务交替执行为并发，多个任务同时执行为并行

　　同步/异步：关注的是消息通知的机制，主动等候消息则为同步、被动听消息则为异步

　　阻塞/非阻塞：关注的是等候消息的过程中有没有干其他事。

　　总结：上面的几组概念，时刻穿插的，并没有完全的等价关系，所以经常有人说，异步就是非阻塞，同步就是阻塞，并发就是非阻塞、并行就是非阻塞，这些说法都是不完全准确地。

 

6 总结

并发和并行都是实现异步编程的思路，只有一个线程的并发，称之为“伪并发”；有多个线程的并发称之为“真并发”，真并发与并行是很接近的。

异步操作的优缺点 ：

　　因为异步操作无须额外的线程负担（这里指的是单线程交替执行的“伪并发”），并且使用回调的方式进行处理，在设计良好的情况下，处理函数可以不必使用共享变量（即使无法完全不用，最起码可以减少 共享变量的数量），减少了死锁的可能。当然异步操作也并非完美无暇。编写异步操作的复杂程度较高，程序主要使用回调方式进行处理，与普通人的思维方式有些 初入，而且难以调试。

多线程的优缺点：

　　多线程的优点很明显，线程中的处理程序依然是顺序执行，符合普通人的思维习惯，所以编程简单。但是多线程的缺点也同样明显，线程的使用（滥用）会给系统带来上下文切换的额外负担。并且线程间的共享变量可能造成死锁的出现。 异步与多线程,从辩证关系上来看,异步和多线程并不时一个同等关系,（因为单线程也是可以实现异步的）异步是目的,多线程只是我们实现异步的一个手段.什么是异步:异步是当一个调用请求发送给被调用者,而调用者不用等待其结果的返回.实现异步可以采用多线程技术或则交给另外的进程来处理。