进程线程协程的关系

本文详细介绍了进程、线程和协程的概念及其在操作系统中的状态模型。进程作为资源分配的基本单位,线程是调度和执行的基本单元,而协程是一种轻量级线程,其调度由用户控制。文中还对比了多进程、多线程与多协程的并发执行方式,以及同步阻塞和异步非阻塞模型在服务器程序中的应用。

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进程:是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动,是系统进行资源分配和调度的基本单位,是操作系统结构的基础。
进程是一个执行中的程序
进程的三态模型:多道程序系统中,进程在处理器上交替运行,状态不断地发生变化
运行:当一个进程在处理机上运行时,称该进程处于运行状态
就绪:当一个进程获得了除处理机以外的一切资源,一旦得到处理及即可运行,则称次进程处于就绪状态
阻塞:也称为等待或者睡眠状态,一个进程正在等待某一事件发生(例如请求I/O而等待I/O完成等)而暂时停止运行,这是即使把处理机分配给进程也无法运行,故该进程处于阻塞状态
进程的五态模型:对于一个实际的系统,进程的状态机器转换更为复杂
新建态:对于进程刚刚被创建时没有被提交的状态,并等待系统完成创建进程的所有必要信息
终止态:进程已结束运行,回收除进程控制块以外的其他资源。并让其他进程从进程控制块中手机有关信息。
活跃就绪:指进程在主存上可以被调度的状态
禁止就绪(挂起就绪):指进程被兑换到辅存时的就绪状态,是不能直接被调度的状态,只有当主存中没有活跃就绪态进程,或者时挂起就绪态进程具有更高的优先级,系统将把挂起就绪态进程调回主存并转换为活跃就绪
静止阻塞:进程兑换到辅存时的阻塞状态,一旦等待的时间产生便进入静止就绪状态
多进程:同一个时间里,同一个计算机系统中如果允许两个或两个以上的进程处于运行状态,这就是多进程。如:边看视频边使用编辑器
多开一个进程,多分配一份资源,进程间通讯不方便

线程:线程是进程中的一个实体,是被系统独立调度和分配的基本单元,线程自己不能拥有系统资源,只拥有一点儿在运行中必不可少的资源,但它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。
一个线程可以创建和撤销另一个线程,同一进程中的多个线程之间可以并发执行
线程是程序中一个单一的顺序控制流程。进程内一个相对独立的、可调度的执行单元,是系统独立调度和分派CPU的基本单位,指运行中的程序的调度单位。
每个程序都至少有一个线程,若程序只有一个线程,那就是程序本身。

多线程:线程就是把一个进程分为很多片,每一片都可以是一个独立的流程,与多进程的区别是只会使用一个进程的资源,线程间可以直接通信
线程的状态:
就绪:线程具备运行的所有条件,逻辑上可以执行,在等待处理机
阻塞:线程占有处理机正在运行
运行:线程在等待一个事件(如某个信号量),逻辑上不可执行
线程与进程的区别:
1. 线程是进程内的一个执行单元,进程内至少有一个线程,他们共享进程的地址空间,而进程有自己的独立地址空间
2. 进程是资源分配和拥有的单位,同一个进程内的线程共享进程的资源
3. 线程是处理器调度的基本单位,进程不是
4. 两者均可以并行执行(处理器是等待的)
5. 每个独立的线程有一个程序运行的入口,顺序执行序列和程序的出口,但是线程不能够独立执行,必须存在应用程序中,由应用程序提供多个线程执行控制
协程:协程是一种用户态的轻量级线程,协程的调度完全由用户控制,协程有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时,将寄存器上下文和栈保存到其他地方,在切回来的时候,恢复先前保存的寄存器上下文和栈,直接操作栈则基本没有内核切换的开销,可以不加锁的访问全局变量,所以上下文的切换非常快
线程和协程的区别:
1. 一个线程可以有多个协程,一个进程也可以单独拥有多个协程
2. 线程进程都是同步机制,而协程是异步
3. 协程能保留上一次调用的状态,每一次过程重入时,就相当于进入上一次调用的状态

多个概念之间的区别:
单进程单线程:一个人在一个桌子上吃菜
单进程多线程:多个人在一个桌子上一起吃菜
多进程单线程:多个人在自己的桌子上吃菜

同步阻塞模型:
多进程同步阻塞模型:最早的服务器端程序都是通过多进程,多线程来解决IO的问题,一个请求创建一个进程,然后子进程进入循环同步阻塞,与客户端连接进行交互、收发处理数据
多线程同步阻塞模型:用多线程模式实现非常简单,线程中可以直接向某一个客户端连接发送数据

模拟实现步骤:
创建一个socket
进入while循环,阻塞在进程accept操作上,等待客户端连接进入
主进程在多进程模型下通过fork创建子进程
多线程模型下可以创建子线程
子进程/线程创建成功后进入while循环,阻塞在recv调用上,等待客户端向服务器发送数据
收到数据后服务器程序进行处理然后使用send向客户端发送响应
当客户端连接关闭时,子进程/线程退出销毁所有资源。主进程/线程会回收掉子进程/线程
缺点:
这种模型严重依赖进程的数量解决并发问题,启动大量的进程会带额外的进程调度消耗

异步非阻塞模型:
现在各种高并发异步IO的服务器程序都是基于epoll实现的
Io复用异步非阻塞程序使用经典的Reactor模型,Reactor顾名思义就是反应堆的意思,它本身不处理任何数据收发。只是可以监视一个socket句柄的事件变化
Reacotr模型:
ADD:添加一个SOCKET到Reactor
Set:修改SOCKET对应的事件,如可写可读
Del:从Reactor中移除
Callback:事件发生回调指定的函数
常见的使用Reactor模型:
nginx:多个Reactor
Swoole:多个线程Reactor+多进程Worker

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