进程线程与协程程详解

进程线程与协程程详解

1. 进程

1.1 简介

• 进程（Process）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。
• 在早期面向进程设计的计算机结构中，进程是程序的基本执行实体；在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

1.2 组成

• 进程是一个实体。每一个进程都有它自己的地址空间，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。

1.3 特征

• 动态性：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的。
• 并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行
• 独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位；
• 异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进
• 结构特征：进程由程序、数据和进程控制块三部分组成。
• 多个不同的进程可以包含相同的程序：一个程序在不同的数据集里就构成不同的进程，能得到不同的结果；但是执行过程中，程序不能发生改变。

1.4 状态

2. 线程

2.1 简介

• 线程，有时被称为轻量级进程(Lightweight Process，LWP），是程序执行流的最小单元。一个标准的线程由线程ID，当前指令指针(PC），寄存器集合和堆栈组成。
• 另外，线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，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它线程共享进程所拥有的全部资源。
• 线程是程序中一个单一的顺序控制流程。是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。在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作，称为多线程。

2.2 特点

• 轻型实体：线程中的实体基本上不拥有系统资源，只是有一点必不可少的、能保证独立运行的资源。
  线程的实体包括程序、数据和TCB。线程是动态概念，它的动态特性由线程控制块TCB（Thread Control Block）描述。
  • TCB包括以下信息：
    • 线程状态
    • 当线程不运行时被保存的现场资源
    • 一组执行堆栈
    • 存放每个线程的局部变量主存区
    • 访问同一个进程中的主存和其他资源
    • 程序计数器、保留局部遍历、少数状态参数和返回地址等的一组寄存器和堆栈
• 独立调度和分派的基本单位。
  • 在多线程OS中，线程是能独立运行的基本单位，因而也是独立调度和分派的基本单位。
  • 由于线程很“轻”，故在同一进程内线程的切换非常迅速且开销小
• 可并发执行。
  • 在一个进程中的多个线程之间，可以并发执行，甚至允许在一个进程中所有线程都能并发执行；
  • 同样，不同进程中的线程也能并发执行，充分利用和发挥了处理机与外围设备并行工作的能力。
• 共享进程资源。
  • 在同一进程中的各个线程，都可以共享该进程所拥有的资源
  • 这首先表现在：所有线程都具有相同的地址空间（进程的地址空间），这意味着，线程可以访问该地址空间的每一个虚地址；此外，还可以访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量机构等。由于同一个进程内的线程共享内存和文件，所以线程之间互相通信不必调用内核。

3. 协程

3.1 简介

• 协程（Coroutines）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，一个线程可以拥有多个协程。
• 协程不是被操作系统内核所管理的，而是完全由程序所控制，也就是在用户态执行。这样带来的好处是性能大幅度的提升，因为不会像线程切换那样消耗资源。
• 协程不是进程也不是线程，而是一个特殊的函数，这个函数可以在某个地方挂起，并且可以重新在挂起处外继续运行。所以说，协程与进程、线程相比并不是一个维度的概念。
• 一个线程内的多个协程虽然可以切换，但是多个协程是串行执行的，只能在一个线程内运行，没法利用CPU多核能力。

• 协程对计算密集型的任务没有太大的好处，计算密集型的任务本身不需要大量的线程切换，因此协程的作用也十分有限，反而还增加了协程切换的开销。