漫画：什么是协程？

Posted 2020-12-21

漫画：什么是协程？

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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。

如何用java语言实现生产者/消费者模式呢？

让我们来看一看代码：

public class ProducerConsumerTest {

public static void main(String args[]) {
? ?final Queue<Integer> sharedQueue = new LinkedList();
? ?Thread proucer = new Producer(sharedQueue);
? ?Thread consumer = new Consumer(sharedQueue);
? ?producer.start();
mer.start();
}

class Producer extends Thread {

privae static final int MAX_QUEUE_SIZE = 5;
private final Queue sharedQueue;
public Producer(Queue sharedQueue) {
? ?super();
? ?this.sharedQueue = sharedQueue;
}
@Override
public void run() {
? ?for (int i = 0; i < 100; i++) {
? ? ? ?synchronized (sharedQueue) {
? ? ? ? ? ?while (sharedQueue.size() >= MAX_QUEUE_SIZE) {
? ? ? ? ? ? ? ?System.out.println("队列满了，等待消费");
? ? ? ? ? ? ? ?try {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?sharedQueue.wait();
? ? ? ? ? ? ? ?} catch (InterruptedException e) {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();

class Consumer extends Thread { private final QueuesharedQueue;

public Consumer(Queue sharedQueue) {
? ?super();
? ?this.sharedQueue = sharedQueue;
}
@Override
public void run() {
? ?while(true) {
? ? ? ?synchronized (sharedQueue) {
? ? ? ? ? ?while (sharedQueue.size() == 0) {
? ? ? ? ? ? ? ?try {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?System.out.println("队列空了，等待生产");
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?sharedQueue.wait();
? ? ? ? ? ? ? ?} catch (InterruptedException e) {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();
? ? ? ? ? ? ? ?}
? ? ? ? ? ?}
? ? ? ? ? ?int number = sharedQueue.poll();
? ? ? ? ? ?System.out.println("进行消费 : " + number );
? ? ? ? ? ?sharedQueue.notify();
? ? ? ?}
? ?}

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。

什么是协程

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。

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。

既然协程这么好，它到底是怎么来使用的呢？

由于Java的原生语法中并没有实现协程（某些开源框架实现了协程，但是很少被使用），所以我们来看一看python当中对协程的实现案例，同样以生产者消费者模式为例：

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

几点补充：

1.关于协程的概念，小灰也仅仅是知道一些皮毛，希望小伙伴们多多指正。

2.本漫画纯属娱乐，还请大家尽量珍惜当下的工作，切勿模仿小灰的行为哦。

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