协程 —— 底层实现原理

一、相关概念

1. 进程

进程是一个实体，一个用户程序就是一个进程。

2. 线程

• 每个线程都有各自的调用栈，寄存器环境，线程本地存储。
• 线程是进程的执行体，拥有一个执行入口，以及从进程虚拟地址空间分配的栈信息，包括用户栈和内核栈。

3. 子程序

    子程序又被称为执行体、函数、方法等。子程序在主程序中被调用执行。

二、协程

1. 协程的产生

• 如果线程各自创建几个执行体，给他们各自指定执行入口，申请一些内存分配给他们做执行栈，那么线程就可以按需调度这几个执行体了。
• 为了实现这几个执行体的切换，线程也需要记录执行体的信息，包括ID、栈的位置、执行入口地址、执行现场等。
• 线程可以选择一个执行体来执行，此时CPU中指令指针就会指向这个执行体的执行入口，栈基和栈指针寄存器也会指向线程给他分配的执行栈。
• 要切换执行体时，需要先保存当前执行体的执行现场，然后切换到另一个执行体，通过同样的方式可以恢复到之前的执行体，这样就可以从上次执行中断的地方继续执行。
• 这些由线程创建的执行体就叫做“协程”，因为用户程序不能操作内核空间，所以只能给协程分配用户栈，而操作系统对协程一无所知，所以协程又被称为“用户态线程”。

2. 协程的定义

• 协程（Coroutine），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，一个线程也可以拥有多个协程。

• 协程看上去也是子程序，但执行过程中，在子程序内部可中断，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。

   引用Donald Knuth的一句话总结协程的特点：“子程序就是协程的一种特例。”
   
   注意：在一个子程序中中断，去执行其他子程序，不是函数调用，有点类似CPU的中断。
  

子程序调用总是一个入口，一次返回，调用顺序是明确的。而协程的调用和子程序不同。

比如子程序A、B：

def A():
    print '1'
    print '2'
    print '3'

def B():
    print 'x'
    print 'y'
    print 'z'

假设由协程执行，在执行A的过程中，可以随时中断，去执行B，B也可能在执行过程中中断再去执行A，结果可能是：

1
2
x
y
3
z

但是在A中是没有调用B的，所以协程的调用比函数调用理解起来要难一些。

看起来A、B的执行有点像多线程，但协程的特点在于是一个线程执行，那和多线程比，协程有何优势？

最大的优势就是协程极高的执行效率。因为子程序切换不是线程切换，而是由程序