学习 程序员小灰 - 一文讲透 “进程、线程、协程”的笔记记录

进程

程序本身是没有生命周期的，它只是存在磁盘上的一些指令,程序一旦运行就是进程。

进程是-操作系统 提供的 抽象概念，是系统进行 资源分配和调度的 基本单位（出现线程以后，调度的基本单位就是线程），是操作系统结构的基础。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

当程序需要运行时，OS 将代码和所有静态数据记载到内存和进程的地址空间（每个进程都拥有唯一的地址空间）中，通过创建和初始化栈（局部变量，函数参数和返回地址)、分配堆内存以及与IO相关的任务；当前期准备工作完成，启动程序，OS 将 CPU 的控制权转移到新创建的进程，进程开始运行。

一个进程至少有五种基本状态：

• 初始态：进程刚被创建，准备其他系统资源
• 就绪态：所有所需资源已准备完成，等待被调度CPU资源
• 运行态：执行状态
• 阻塞态：进程等待某件事情完成
• 终止态：进程结束

CPU资源上进程间的切换，被称为上下文切换（context switch）。涉及到：

• 保存当前进程的上下文
• 恢复新进程的上下文

分配、回收系统资源；
更新 PCB 中的信息；
将 PCB 放入合适的队列；

进程间的数据共享

系统中的 进程 与其他 进程 共享 CPU和主存资源，为了更好的管理主存，现在系统提供了一种对主存的抽象概念，即为虚拟存储器（VM）。它是一个抽象的概念，它为每一个进程提供了一个假象：即每个进程都在独占地使用主存。

虚拟存储器主要提供了三个能力：

1. 将主存看成是一个存储在磁盘上的高速缓存，在主存中只保存活动区域，并根据需要在磁盘和主存之间来回传送数据，通过这种方式，更高效地使用主存

2. 为每个进程提供了一致的地址空间，从而简化了存储器管理

3. 保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏（映射）

线程

线程-也是操作系统提供的抽象概念，是程序执行流的最小单元，是 处理器调度和分派的基本单位。一个进程可以有一个或多个线程，同一进程中的多个线程将共享该进程中的全部系统资源，如虚拟地址空间，文件描述符和信号处理等等。但同一进程中的多个线程有各自的调用栈和线程本地存储（如下图所示）。

OS 会为线程分配一个线程控制块TCB（Thread Control Block）,将所有用于控制和管理线程的信息记录在线程的控制块中，TCB中通常包括：

• 线程标志符
• 一组寄存器
• 线程运行状态
• 优先级
• 线程专有存储区（堆、栈）
• 信号屏蔽

进程与线程的区别

• 进程是资源的分配和调度的独立单元。进程拥有完整的虚拟地址空间，当发生进程切换时，不同的进程拥有不同的虚拟地址空间。而同一进程的多个线程是可以共享同一地址空间

• 线程是CPU调度的基本单元，一个进程包含若干线程。

• 线程比进程小，基本上不拥有系统资源。线程的创建和销毁所需要的时间比进程小很多

• 由于线程之间能够共享地址空间，因此，需要考虑同步和互斥操作

• 一个线程的意外终止会影响整个进程的正常运行，但是一个进程的意外终止不会影响其他的进程的运行。因此，多进程程序安全性更高。

总之，多进程程序安全性高，进程切换开销大，效率低；多线程程序维护成本高，线程切换开销小，效率高。

协程

协程（Coroutine，又称微线程）是一种 比线程更加轻量级 的存在，协程不是被操作系统内核所管理，而完全是由程序所控制。协程与线程以及进程的关系见下图所示。

• 协程可以比作子程序，但执行过程中，子程序内部可中断，然后转而执行别的子程序，在适当的时候再返回来接着执行。协程之间的切换不需要涉及任何系统调用或任何阻塞调用。

• 协程只在一个线程中执行，子程序之间的切换发生在用户态上，而线程的阻塞状态是由操作系统内核来完成，发生在内核态上，因此协程相比线程节省线程创建和切换的开销。

• 协程中不存在同时写变量冲突，因此，也就不需要用守卫关键区块的同步性原语，比如互斥锁、信号量等，并且不需要来自操作系统的支持。

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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。