进程、线程和协程

什么是进程和线程？

进程是应用程序的启动实例，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。

操作系统中的进程和线程

对操作系统而言，线程是最小的执行单元，进程是最小的资源管理单元。无论是进程还是线程，都是由操作系统所管理的。

线程的状态

线程具有五种状态：初始化、可运行、运行中、阻塞、销毁

线程状态的转化关系

线程之间是如何进行协作的呢？

最经典的例子是生产者/消费者模式，即若干个生产者线程向队列中系欸如数据，若干个消费者线程从队列中消费数据。

生产者/消费者模式

生产者/消费者模式的性能问题是什么？

• 涉及到同步锁
• 涉及到线程阻塞状态和可运行状态之间的切换
• 设置到线程上下文的切换

什么是协程呢？

协程（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，一个线程可以拥有多个协程。

操作系统中的协程

协程不是被操作系统内核所管理的，而是完全由程序所控制，也就是在用户态执行。这样带来的好处是性能大幅度的提升，因为不会像线程切换那样消耗资源。

协程不是进程也不是线程，而是一个特殊的函数，这个函数可以在某个地方挂起，并且可以重新在挂起处外继续运行。所以说，协程与进程、线程相比并不是一个维度的概念。

一个进程可以包含多个线程，一个线程也可以包含多个协程。简单来说，一个线程内可以由多个这样的特殊函数在运行，但是有一点必须明确的是，一个线程的多个协程的运行是串行的。如果是多核CPU，多个进程或一个进程内的多个线程是可以并行运行的，但是一个线程内协程却绝对是串行的，无论CPU有多少个核。毕竟协程虽然是一个特殊的函数，但仍然是一个函数。一个线程内可以运行多个函数，但这些函数都是串行运行的。当一个协程运行时，其它协程必须挂起。

进程、线程、协程的对比

• 协程既不是进程也不是线程，协程仅仅是一个特殊的函数，协程它进程和进程不是一个维度的。
• 一个进程可以包含多个线程，一个线程可以包含多个协程。
• 一个线程内的多个协程虽然可以切换，但是多个协程是串行执行的，只能在一个线程内运行，没法利用CPU多核能力。
• 协程与进程一样，切换是存在上下文切换问题的。

上下文切换

• 进程的切换者是操作系统，切换时机是根据操作系统自己的切换策略，用户是无感知的。进程的切换内容包括页全局目录、内核栈、硬件上下文，切换内容保存在内存中。进程切换过程是由“用户态到内核态到用户态”的方式，切换效率低。

• 线程的切换者是操作系统，切换时机是根据操作系统自己的切换策略，用户无感知。线程的切换内容包括内核栈和硬件上下文。线程切换内容保存在内核栈中。线程切换过程是由“用户态到内核态到用户态”， 切换效率中等。

• 协程的切换者是用户（编程者或应用程序），切换时机是用户自己的程序所决定的。协程的切换内容是硬件上下文，切换内存保存在用户自己的变量（用户栈或堆）中。协程的切换过程只有用户态，即没有陷入内核态，因此切换效率高。

• 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。