浅谈进程线程和协程三者之间的区别和联系

Posted 2021-01-25 octoptuslian

一、进程、线程、协程

1，进程

经典定义：一个执行中程序的实例。系统中的每个程序都运行在某个进程的上下文中。（-摘自 CSAPP）

进程是系统资源分配的最小单位

 

2，线程（thread）

线程就是运行在进程上下文中的逻辑流。

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。

 

3，协程

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。

根据维基百科对子例程的描述：是一个大型程序中的某部分代码，由一个或多个语句块组成。它负责完成某项特定任务，而且相较于其他代码，具备相对的独立性。我可以将子例程理解为一个函数。

 

4，区别和联系

首先，进程提供给应用程序的关键抽象为：

• 一个独立的逻辑控制流：它提供一个假象，好像我们的程序独占地使用处理器。
• 一个私有的地址空间，它提供一个假象，好像我们的程序独占地使用内存系统。

从以上描述我可以看出，一个进程是一个独立进行的任务，它占用的系统资源有：地址空间，全局变量，文件描述符，硬件资源等。

 

进程出现的目的，是为了更好的利用CPU资源。例如：

假设有两个任务A和B，当A遇到IO操作，CPU默默的等待任务A读取完操作再去执行任务B，这样无疑是对CPU资源的极大的浪费。若在任务A读取数据时，让任务B执行，当任务A读取完数据后，再切换到任务A执行，这样就可以更好地利用CPU资源。这里的切换涉及到状态的保存，状态的恢复，需要有一个东西去记录任务A和任务B分别需要什么资源，怎样去识别任务A和任务B，这时进程就出现了。

因此，通过进程来分配系统资源，标识任务。

如何分配CPU去执行进程称之为调度，进程状态的记录，恢复，上下文切换（简称切换）。

 

其次，若上面提及的任务A是一个文本程序，需要接受键盘输入，将内容显示在屏幕上，还需要保存信息到硬盘中。

若只有一个进程，会造成同一时间只能干一样事的尴尬（当保存时，就不能通过键盘输入内容）。若有多个进程，每个进程负责一个任务，进程A负责接收键盘输入的任务，进程B负责将内容显示在屏幕上的任务，进程C负责保存内容到硬盘中的任务。这里进程A，B，C间的协作涉及到了进程通信问题，而且有共同都需要拥有的东西-------文本内容，不停的切换造成性能上的损失。若有一种机制，可以使任务A，B，C共享资源，这样上下文切换所需要保存和恢复的内容就少了，同时又可以减少通信所带来的性能损耗，那就好了。这时线程出现了。

因此，线程共享进程的大部分资源，并参与CPU的调度。

 

 

假设当涉及到大规模的并发请求连接时，例如有一万个人同时连接我的服务器，但系统资源有限，如果以线程作为处理单元，调内部系统资源的话大部分线程都处于等待状态，但用了协程就可以实现线程自己调度，不陷入内核级别的上下文切换。这时协程出现了。

因此，协程通过在线程中实现调度，避免了陷入内核级别的上下文切换造成的性能损失，进而突破了线程在IO上的性能瓶颈。

 

为什么协程不需要经过内核级别的上下文切换，我是这样认为的：

进程和线程都是操作系统自带的，协程是有些程序原生支持的，例如go，lua， 有些是后期版本才有的，比如python2.5 C#等。

 

 

二、小结

之前做游戏服务器时就对这块概念不是很清晰，现在做流媒体服务时又碰到了这样的困惑，因此专门看书思考整理了相关的知识点，网上也参考了许多例子。如果有错误还望及时指正。

在此引用一位从事服务器开发的前辈说的话：

核心只有一个，线程是操作系统调度，协程是用户态调度。
协程不必须是语言集成，例如C语言可以用setjmp/longjmp实现，也可以自己通过改变esp指针换栈实现协程。

协程本身跟高吞吐没任何关系，基于io多路复用+回调就可以实现高并发和高吞吐。引入协程是为了将回调逻辑变成线性同步逻辑。

 

参考资料

维基百科_进程

维基百科_线程

维基百科_协程

简书_进程，线程，协程与并行，并发

进程、线程、轻量级进程、协程与 go 的 goroutine【转载+整理】

博客园_进程和线程、协程的区别