进程线程以及协程

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进程线程以及协程

前段时间在看nodejs，主要是因为nodejs的IO处理性能非常高，号称能够同时支持上万的长连接，这个当时太让我惊讶了，主要是了解其实现原理以及设计思想。

要说起这个实现原理，必须要从操作系统中最基本重要的概念——进程来开始逐步了解现代现代才做系统是如何进行程序调度的。

进程是操作系统中最重要的一个概念，基本上是说程序执行的实例，（以unix系统为例）它包括正在执行的程序代码以及其对应的数据，还包括了进程所占用的虚拟内存，信号量，文件目录，文件句柄等等。可以看出，创建一个进程代价是比较高的，所以操作系统中的进程数往往是有限的，不能无限制的增长，因为他要耗费太多的系统的资源。进程之间可以互相通信，通过这种方式，来完成进程之间的沟通与协作。进程间通信的主要有两种方式：第一种是信号量，通过向其他进程发送信号，内核接收到这个请求，然后通知接受信号的进程来处理；第二个种方式是通过管道，两个进程共享一个管道信息，一个进程往往管道的一段写数据，另外一个进程从管道的另外一端接受数据，从实现原理来看，更像是两个进程共享一段内存信息。在进程调度上，都是由操作系统内核进行调度，进程调度比较复杂，由专门的算法来实现进程调度，一般都有时间片的调度算法那，这里就不说了。正常情况下，一个进程有一定的执行时间，当发生以下几种情况的时候，进程会被迫让出时间片，腾出CPU给其他进程，包括：1 当期正在执行的进程陷入io，被阻塞 2线程被人为中断，例如给线程发送中断信号 3 进程用完时间片 4 有优先级更高的进程要执行，被抢占。 如果进程过多，调度就越频繁，由于进程一次调度，在系统上，需要做很多的工作，比如：保存当前进程的调用栈信息，cpu各个寄存器信息，虚拟内存交换，保护相关的资源等等，所以进行一次进程切换的代价是比较高的。

从上面的分析，我们从三个维度来总结以下进程相关的特性，

资源占用：比较多

进程通信：效率比较低

上下文切换：慢

 

由于创建进程的代价太高，所以在操作系统中，又出现了线程的概念，简单的说，就是一个进程可以拥有多个线程，每个线程都会共享进程所占用的资源信息，包括虚拟内存，文件资源等等。在这个方面，线程所占用的资源远远小于进程，系统中就可以创建相对数量较多的线程，这些线程共享一个进程所占有的所有资源。在unix操作系统中，线程也是用进程表示的，只不过这些进程可以共享了父进程相关的信息，这里成为轻量级进程。 在线程之间，不仅仅可以通过进程之间的通信方式：信号量，管道，还可以通过共享内存的方式进行通信，在java里面就表现的比较明显，例如两个线程之间可以通过一个实例变量（例如消息队列）进行通信，这种通信方式很高效，毕竟访问内存是非常快的。在调度层面，同一个线程组（共享一个进程）的切换相对比较高效，但是不同线程组之间的切换其实和进程切换效率差不多。

从上面的分析，也总结以下以下线程的特性

资源占用：一般

线程通信：效率高

上下文切换：一般

 

对于进程和线程来说，都是通过操作系统内核进行调度的，是抢占式的，也就是说，进程和线程还没有运行完成，是可以被其他进程或者线程进行抢占的，进程调度这么设计，是完全有道理的，避免由于一个进程无限运行，其他进程无法得到cpu的时间，导致整个系统死机。但是进程之间切换也是很耗时的，但可以考虑，如果保证业务处理会在有限的时间内完成，那么就没有必要采用抢占式调度的机制。同时如果任务永远不会被阻塞（系统必须支持非阻塞IO），那么就可能采取一种简单的调度策略，这种策略就是顺序执行将要处理的任务列表。

假设采用这种调度方式，就是由一个线程循环处理所有的任务，要想提高性能，就必须满足以下几个条件：

1 任务执行的时间比较短

假设任务执行时间都比较长，远远高于线程切换的代价，那完全可以采用单独一个线程进行处理，没有必要采用这种复杂的方案

2 任务所依赖的线程不能被阻塞

相当于执行任务的线程要被阻塞，相当于每个任务里面不能调用阻塞线程相关的操作，否则后续的任务就无法执行，整体的效率反而比多线程的效率低

3 任务之间是没有依赖的

任务之间彼此独立，没有依赖关系，也就是说不会涉及到同步和互斥。

 

这里面会涉及到一个问题，就是这个执行的任务如果调用了非阻塞io，，需要等io完成了，才能进行后续的业务处理。为了解决这种情况，我们必须保存这个任务的上下文，然后跳过这个任务，调度程序会执行下一个任务，等操作系统io完成之后，通知执行线程，那么这个线程会找到当时没有执行完成的任务，继续执行。这里面其实也会涉及到任务的上下文切换，但是这种切换代价很低，完全可以在线程里面实现，不需要调用内核完成切换，避免性能开销。

以上说的就是一个coroutine机制，这种机制的思路就是在用户层设计一个任务调度任务，这个任务名字就要做协程，比线程更轻量级，协程有很多限制。并不是所有的业务都适合用这种方式来实现。

 

可以看出协程的一些特性：

占用资源：很少

协程通信：不能同步通信，只能采取异步消息通信，效率高

上下文切换：很快

 

下面一幅图说明这三者的关系：