进程、线程与协程详解-优快云博客

声明：本文参考的文章较多，在头部仅填写一个链接，在具体内容中，将参考来源及链接贴出。

这部分参考：
作者：feng409, 来源：掘金
原文链接：https://juejin.im/post/5b0014b7518825426e023666

进程

进程是系统资源分配的最小单位, 系统由一个个进程(程序)组成。一般情况下，包括文本区域（text region）、数据区域（data region）和堆栈（stack region）。

文本区域存储处理器执行的代码
数据区域存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内存；
堆栈区域存储着活动过程调用的指令和本地变量。

因此进程的创建和销毁都是相对于系统资源,所以是一种比较昂贵的操作。进程有三个状态:

等待态：等待某个事件的完成；
就绪态：等待系统分配处理器以便运行；
运行态：占有处理器正在运行。

进程是抢占式的争夺CPU运行自身,而CPU单核的情况下,同一时间只能执行一个进程的代码,但是多进程的实现则是通过CPU飞快的切换不同进程,因此使得看上去就像是多个进程在同时进行.

通信问题: 由于进程间是隔离的,各自拥有自己的内存内存资源, 因此相对于线程比较安全, 所以不同进程之间的数据只能通过 IPC(Inter-Process Communication) 进行通信共享.

线程

线程属于进程
线程共享进程的内存地址空间
线程几乎不占有系统资源

通信问题: 进程相当于一个容器,而线程而是运行在容器里面的,因此对于容器内的东西,线程是共同享有的,因此线程间的通信可以直接通过全局变量进行通信,但是由此带来的例如多个线程读写同一个地址变量的时候则将带来不可预期的后果,因此这时候引入了各种锁的作用,例如互斥锁等。

同时多线程是不安全的,当一个线程崩溃了,会导致整个进程也崩溃了,即其他线程也挂了, 但多进程而不会,一个进程挂了,另一个进程依然照样运行。

进程是系统分配资源的最小单位
线程是CPU调度的最小单位
由于默认进程内只有一个线程,所以多核CPU处理多进程就像是一个进程一个核

线程和进程的上下文切换
进程切换分3步:

切换页目录以使用新的地址空间
切换内核栈
切换硬件上下文

而线程切换只需要第2、3步,因此进程的切换代价比较大

协程

协程是属于线程的。协程程序是在线程里面跑的，因此协程又称微线程和纤程等
协没有线程的上下文切换消耗。协程的调度切换是用户(程序员)手动切换的,因此更加灵活,因此又叫用户空间线程.
原子操作性。由于协程是用户调度的，所以不会出现执行一半的代码片段被强制中断了，因此无需原子操作锁。

协程的实现：迭代器和生成器

迭代器：实现了迭代接口的类,接口函数例如:current,key,next,rewind,valid。迭代器最基本的规定了对象可以通过next返回下一个值，而不是像数组，列表一样一次性返回。语言实现：在Java的foreach遍历迭代器对(数组)，Python的for遍历迭代器对象(tuple，list，dist)。
生成器：使用 yield 关键字的函数,可以多次返回值，生成器实际上也算是实现了迭代器接口(协议)。即生成器也可通过next返回下一个值。

接下来的部分参考：
作者：廖雪峰，来源：廖雪峰的官方网站
原文链接：https://www.liaoxuefeng.com/wiki/897692888725344/923057403198272

协程，又称微线程，纤程。英文名Coroutine。

协程的概念很早就提出来了，但直到最近几年才在某些语言（如Lua）中得到广泛应用。

子程序，或者称为函数，在所有语言中都是层级调用，比如A调用B，B在执行过程中又调用了C，C执行完毕返回，B执行完毕返回，最后是A执行完毕。

所以子程序调用是通过栈实现的，一个线程就是执行一个子程序。

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。

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。

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。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，而是由程序自身控制，因此，没有线程切换的开销，和多线程比，线程数量越多，协程的性能优势就越明显。

第二大优势就是不需要多线程的锁机制，因为只有一个线程，也不存在同时写变量冲突，在协程中控制共享资源不加锁，只需要判断状态就好了，所以执行效率比多线程高很多。

因为协程是一个线程执行，那怎么利用多核CPU呢？最简单的方法是多进程+协程，既充分利用多核，又充分发挥协程的高效率，可获得极高的性能。

Python对协程的支持还非常有限，用在generator中的yield可以一定程度上实现协程。虽然支持不完全，但已经可以发挥相当大的威力了。

来看例子：

传统的生产者-消费者模型是一个线程写消息，一个线程取消息，通过锁机制控制队列和等待，但一不小心就可能死锁。

如果改用协程，生产者生产消息后，直接通过yield跳转到消费者开始执行，待消费者执行完毕后，切换回生产者继续生产，效率极高：

import time

def consumer():
    r = ''
    while True:
        n = yield r
        if not n:
            return
        print('[CONSUMER] Consuming %s...' % n)
        time.sleep(1)
        r = '200 OK'

def produce(c):
    c.next()
    n = 0
    while n < 5:
        n = n + 1
        print('[PRODUCER] Producing %s...' % n)
        r = c.send(n)
        print('[PRODUCER] Consumer return: %s' % r)
    c.close()

if __name__=='__main__':
    c = consumer()
    produce(c)

执行结果：

[PRODUCER] Producing 1...
[CONSUMER] Consuming 1...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] Producing 2...
[CONSUMER] Consuming 2...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] Producing 3...
[CONSUMER] Consuming 3...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] Producing 4...
[CONSUMER] Consuming 4...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK
[PRODUCER] Producing 5...
[CONSUMER] Consuming 5...
[PRODUCER] Consumer return: 200 OK