线程和协程 带你深刻易懂了解进程
作者 | 肖玮
写在最前
本故事驳回繁复明了的对话形式，尽洪荒之力让你在轻松无累赘的气氛中，稍微深化地理解进程、线程和协程的相关原理常识
假设你觉得自己原本就曾经了解得很透彻了，那也无妨瞧一瞧，指不定有异常的收获呢
在这个 AI 内容生成众多的时代，依然有一批人"傻傻"保持原创，假设您能读到最后，还请点赞或收藏或关注允许下我呗，感谢 (￣︶￣)↗
进程
丹尼尔：蛋兄，我对进程、线程、协程这些概念似懂非懂的，要不我们当天就好好聊聊这些？
蛋先生：当然可以
丹尼尔：先说说进程吧，从字面意思上看，是不是可以了解为正在运（进）行的程序？
蛋先生：正是如此，程序是静态的，而进程则是灵活的
丹尼尔：说得我更懵懂了
蛋先生：好吧，以你电脑上的视频播放器（就是一个程序）为例。当你不双击它时，它就是一个宁静的美女子——哦不，就是一份静静躺在硬盘上的代码
丹尼尔：别逗我了，蛋兄
蛋先生：( ╯▽╰) 但当你双击它时，它就经过进程“动”起来了
丹尼尔：进程做了什么让它“动”起来了？
蛋先生：程序是代码，比如播放逻辑的代码。要让视频播放，这些代码必需口头起来对吧
丹尼尔：确实。那进程是怎样口头这些代码的？
蛋先生：进程会应用操作系统的调度器调配给它的 CPU 期间片，经过 CPU 来口头代码（留意：现代操作系统都是间接调度线程，不会调度进程哦）
丹尼尔：原来如此，操作系统给进程调配了 CPU 期间片资源。那还有其他的资源吗？
蛋先生：代码口头环节，须要存储一些数据，所以进程还调配有内存空间资源
丹尼尔：都存些什么数据呢？
蛋先生：程序代码自身就须要先存储起来。而后辈码口头环节中的变量，参数什么的，也是须要存储的。给个图你了解一下吧
丹尼尔：哦，还有其它资源吗？
蛋先生：程序或许会口头一些 I/O 义务，比如视频播放器须要加载视频，这些视频数据或许从本地文件加载，也或许从网络上加载，这就须要文件形容符资源。计算，存储，I/O 触及的三大资源，就是调配给进程最关键的资源了。而进程就是调配资源的基本单位了
丹尼尔：原来如此，代码口头，数据存储，I/O 操作，程序就能运转起来了
蛋先生：正是这样。有了进程，我们可以同时运转多个程序。比如，你可以一边播放视频，一边编辑文档，每个程序都有自己的进程，互不搅扰。即使它们都是同一份代码，但各自播放的内容和进展都可以不同
丹尼尔：明确了
蛋先生：既然你有编程基础，我就繁难总结一下吧。
什么是进程？进程就是程序的实例（就像面向对象编程中的类，类是静态的，只要实例化后才运转，且同一个类可以有多个实例）
为什么须要进程？为了让程序运转起来（假设程序不运转，用户昨看视频捏）
线程
丹尼尔：这个总结我青睐，接上去该聊聊线程了
蛋先生：进程（可以看成只要一个线程的进程）同时只能做一件事，所以你的视频播放器的上班形式就像以下
丹尼尔：那样的体验必需蹩脚透了，视频齐全加载并解码完之前，啥都看不了
蛋先生：没错，所以我们希冀能够一边加载和解码，一边播放，这样就不会糜费期间空等了。为了成功这个目标，一个进程就须要退化成多个线程来同时口头多个义务
丹尼尔：那假设一个进程只能做一件事，我用两个进程不也可以同时做两件事吗？
蛋先生：你说得对，但进程间是齐全独立的，互不搅扰。而线程则共享同一个进程的资源，所以线程间替换数据更繁难，简直没有通讯损耗。但进程间替换数据就费事多了，得经过一些通讯机制，比如管道、信息队列之类的
构想一下，我和你住在不同的房子，你要寄给我一箱牛奶，就得经过快递等形式寄给我。但假设我和你住在同一个房子，你买了牛奶只需往冰箱一放，我只需去冰箱一拿，多繁难啊
丹尼尔：那线程都共享进程的什么资源呢？
蛋先生：调配给进程的资源，绝大部分都是线程间共享的。比如内存空间的代码段，数据段，堆，比如文件形容符等。而栈则是每个线程特有的，由于线程是程序口头的最小单位，它须要记载自己的部分变量等
共享资源笼罩
丹尼尔：线程之间共享资源，总觉得会有什么疑问
蛋先生：大部分状况下线程之间还是可以敌对共处的，但有一种状况，就是大家都想对同个资源启动写操作时，就会出现笼罩，造成数据不分歧等疑问
丹尼尔：能详细说一说吗？
蛋先生：为了更容易了解，我们借助以下代码来说明。假设两个线程来运转 main 方法，会有概率出现一些让你隐晦的结果
// 定义一个静态成员变量 a int a // 定义一个方法 add 来参与 a 的值 a Systemout a 丹尼尔：怎样说？
蛋先生：a 是个静态成员变量，它存储在进程内存空间的数据段，共享于多个线程，所以它属于线程间共享的资源对吧
丹尼尔：没错
蛋先生：我们再看下add方法的逻辑a += 1， 这么繁难的代码，在底层并非原子操作，而是分为三个步骤
丹尼尔：那会有什么疑问呢？
蛋先生：假设线程 1 在口头完步骤一和步骤二，还没口头步骤三时，操作系统启动了 CPU 调度，出现了线程切换，使得线程 2 也开局口头步骤一和步骤二。接上去线程 1 和线程 2 都会各自口头步骤三。由于 add 方法口头了两次，正确的结果 a 的值应该是 +2。但很遗憾，结果是 +1。这样的结果有时刻会让你摸不着头脑，而不稳固的结果也将会造成运行的不稳固
丹尼尔：啊，是这样啊。那该怎样办？
蛋先生：处置方法有很多种，比如加锁打算，比如无锁打算等，须要依据实践状况选用。这个话题比拟复杂，我们前面再找期间详细讨论吧。如今只需知道多线程会有资源笼罩的疑问就行了
高低文切换
丹尼尔：好的，明确了。刚才提到线程切换，线程切换究竟出现了什么呢？
蛋先生：线程切换会启动线程高低文切换。线程在运转时，实践上是在口头代码，而口头代码环节中须要存储一些两边数据，也或许会口头一些 I/O 操作。假设环节中被终止，是不是得保管现场，以便下次复原继续运转？
丹尼尔：嗯，确实须要，但详细都存储些什么呢？
蛋先生：首先是下一个要口头的代码，这个存储在程序计数器中。而后是一些两边数据如部分变量等，会存储在线程栈中。为了减速计算，两边数据中对指令口头至关关键的部分会存储在寄存器中。所以，程序计数器须要保管，寄存器须要保管，线程栈指针也须要保管
丹尼尔：“两边数据中对指令口头至关关键的部分会存储在寄存器”，能举个例子吗？
蛋先生：假定以下代码，当在口头 add 方法时，x, y, a, b 会压进线程栈中。而其中 a, b 是和运算最相关的，则会存储在寄存器中，以减速 CPU 的运算
int a bint int x int y int result x y 协程
丹尼尔：哦，原来如此。线程曾经相当不错了，那协程又是怎样回事呢？
蛋先生：回顾一下，我们之前一个线程担任运转加载和解码逻辑，另一个线程担任播放逻辑，对吧？
丹尼尔：没错，有什么疑问吗？
蛋先生：其实还有提升的空间。线程在口头加载视频片段时，必需等候结果前往能力口头解码操作
丹尼尔：确实，加载片段的等候期间仿佛又被糜费了
蛋先生：没错，我们可以充沛应用这段期间。只需让线程在加载的同时启动解码，就能大幅缩小加载等候的期间。而这正是协程所能施展的作用
丹尼尔：哇，蛋兄，你可真是个会过日子的人，这么一丝不苟。但我只需用不同的线程区分处置加载和解码，不也能到达雷同的成果吗？
蛋先生：可以是可以，但多线程会带来一些疑问
丹尼尔：啥疑问呢？
蛋先生：首先，一个线程用于口头加载操作，这关键是 I/O 操作，简直不消耗 CPU 资源，造成该线程长期间处于阻塞形态，这是很糜费的。当然，你可以让它休眠以监禁 CPU 期间，但创立线程自身就有开支，线程切换雷同有开支。相比之下，协程十分轻量，创立和切换的开支极小
丹尼尔：为什么协程的创立和切换的开支极小呢？
蛋先生：关键是由于它并非操作系统层面的物品，就不触及内核调度。普通是由编程言语来成功（比如 Python 的 asyncio 规范库），它属于用户态的物品
丹尼尔：那协程不会有像多线程那样的资源笼罩疑问吗？
蛋先生：线程的口头机遇由操作系统调度，程序员不可控制，这正是多线程容易出现资源笼罩的关键要素。而协程的口头机遇由程序自身控制，不受操作系统调度影响，因此可以齐全防止这类疑问
此外，同一个线程内的多个协程共享同一个线程的 CPU 期间片资源，它们在 CPU 上的口头是有先后顺序的，不能并行口头。而线程是可以并行口头的
丹尼尔：那协程是如何成功这一点的呢？
蛋先生：协程（coroutine），其实是一种不凡的子程序（subroutine，比如普通函数）。普通函数一旦口头就会从头到尾运转，而后前往结果，两边不会暂停。而协程则可以在口头到一半时暂停。应用这一个性，我们可以在遇到 I/O 这类不消耗 CPU 资源的操作时，将其挂起，继续口头其他计算义务，充沛应用 CPU 资源。等 I/O 操作结果前往时，再复原口头
丹尼尔：觉得很像 NodeJS 的异步 I/O 啊
蛋先生：没错，它们的目标都是在一个线程内并发口头多个义务。不过在叫法和成功上会有一些差异
丹尼尔：觉得当天了解得够多了，谢谢蛋兄
蛋先生：后会有期！
