一个故事讲完进程线程和协程（操作系统基础知识）

Posted 2022-10-04 skycto

 

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/zuWRx1FGuBC-_HwuA7jK3w

转自：码农翻身（微信号：coderising）

很久以前，有两个程序，暂且称他们旺财和小强吧。

旺财和小强这两个程序都很长，每个都有十几万行。 他们两个的人生价值就是到CPU上去运行，把运行结果告诉人类。

CPU是稀缺资源，只有一个，他们俩必须排着队，轮流使用。

旺财从头到尾执行完了，让出CPU， 让小强从头儿去执行。

人类把这种处理方式叫做批处理。

进程

长久以来，两人相安无事。 后来CPU的速度越来越快， 远远超过了内存，硬盘的速度。

人类想到，这批处理系统的效率有点低啊，你看当小强需要从硬盘上读取数据的时候，CPU也一直在等待，这是多大的浪费啊！这时候完全可以让旺财来运行一下嘛！

当然得保存好小强的执行现场：具体执行到那一行程序指令了， 函数调用到什么层次了，每个函数调用都有什么样的参数，CPU寄存器中的值… 等等一系列东西。

如果不把小强的执行现场给保存下来，等到小强的数据从银盘读完了，就没法回到中断处来继续执行了。

这个执行现场，再加上小强的代码，就是一个执行中的程序，被称为进程 。

旺财和小强在运行的时候，也被改造成了进程。

人类还规定：进程不能长时间占据CPU， 只能在CPU上执行一小会儿，然后马上切换到别的进程去执行。

旺财和小强不以为意：不就是执行一会儿，歇一会儿，然后继续执行嘛！

 

 但是他们不知道的是，由于CPU运行速度超快，旺财和小强虽然在不断地切换运行，在人类那缓慢的世界里看来，旺财和小强好像是同时在执行一样。 这就是并发。

 

 （在人类看来，小强和旺财似乎是在同时执行）

多年以后，他们俩才真正地实现了并行： 在一个豪华电脑中，每人都被分配了一个CPU ， 真正地同时执行， 这是后话了。

线程

 

这时候旺财在管理系统已经有了界面，还能访问网络，每当它联网的时候（这也是个非常非常耗时的操作），就得把CPU让给小强。

 

即使旺财再次被调度执行，由于网络数据还没有返回，他必须等待，什么事情都做不了，在人类看来，界面根本无法操作，旺财不响应了！ 气得人类经常把旺财kill掉。

 

旺财心里苦，他很纳闷小强怎么就没有问题，小强不是要读写硬盘吗？ 那也是很慢的操作啊。

小强说：“你傻啊，内部只有一个执行的流程，一遇到耗时的操作就得等待，你看看我，内部搞了两个执行流程（线程），一个用来读写硬盘（T1)，另外一个处理界面(T2)。我和操作系统商量好了，如果T1在读写硬盘， 就可以调度我的T2来执行，这样界面至少还可以操作。 ”

 

 

 旺财觉得很有意思，也采用了类似办法。

于是，一个进程中至少有一个执行的流程（主线程），也可以开启新的执行流程（线程）。

线程变成了最小的调度单位。

协程

这一天，旺财被一个叫做生产者和消费者的问题折腾地死去活来，两个线程，一个线程向队列中放数据，另外一个从队列中取数据，处理起两个线程的协作就显得很麻烦，不但需要加锁，还得做好线程的通知和等待。

正在感慨多线程编程之难的时候， 旺财震惊地发现，小强用了一个极为简单的办法把生产者，消费者问题给解决了。

这个方法的代码如下：

# 生产者
def producer(c):   
    #其他代码  
    while True:          
        value = ...生成数据...
        c.send(value)

# 消费者
def consumer():    
    #其他代码      
    while True:
        value = yield 
        print(value)

c = consumer()
producer(c)

“这…这怎么执行啊，那个yield是怎么回事？” 旺财表示不解。

“简单啊，你看那个生产者，是不是向消费者发送了数据？ ” 小强说。

“对啊，然后呢，生产者发送了数据以后，会马上进行下一轮循环吗？”

“这就是关键所在了，”小强说，“ 它们是这么执行的：”

1.生产者发送数据，暂停运行，不进行下一轮循环
2.消费者其实一直在value = yield 那里等待，直到数据到来，现在数据来了，取出处理（value就是生产者发送过来的数据）。
3.消费者在循环中再次yield， 暂停执行。
4.生产者继续下一轮的循环，生成新的消息，发送给消费者。

 

 旺财觉得很吃惊，小强竟然可以让一个正在执行的程序暂停，他不由得问道：“你这个暂停是真的停止了了，还是说只是像Java的yield那样，让出CPU进入了就绪状态？ 等待下次调度运行？”

“是真的暂停了，程序就停在那里，等待运行控制权从对方那里转移过来。”

“这不是操作系统干的事情吗？ ” 旺财更加吃惊了。

“正是这样，” 小强得意地说：“我打算把类似生产者，消费者这样的代码称为‘协程’， 这个协程有个重要的特点，就是完全被我所调度和掌控， 不用操作系统介入。”

“这个协程和线程似乎很像啊。每次协程停止执行的时候，也得保存现场，要不然没法恢复执行。” 旺财说。

“是啊，只是他们比线程更加轻量级，操作系统内核不用参与，相当于用户态线程了，协程的开销极小，可以轻松地创建大量的协程来做事情。 对了，也许你注意到了，我这两个协程是’合作式’的，它们两个同一时刻只能有一个在运行。 实际上，我在底层可以用一个线程去执行这两个协程。 ”

旺财表示同意：“不错，既然两个程序可以’合作’，那就不用加锁了，也不用在代码里写什么wait和notify了，在程序层面，可以用同步的方式实现异步的功能了！ 代码很清晰，我也搞个协程来玩玩吧！”