对进程、线程和协程的理解以及它们的区别

• 2022 年 4 月 26 日
• 筆記
• [01]Golang, [05]linux内核-网络, linux, 协程, 原理, 进程

一、进程

先来了解一下操作系统的进程：

操作系统对正在运行程序的抽象，这个就是进程（process）。

比如运行一个 web 浏览器，一个 text 文本，都是运行的一个一个进程。

有的人说：进程是程序运行资源的集合。进程是系统资源分配的最小单位等等。

从静态的角度来说，进程确实是运行程序的各种资源集合。

如果你进一步思考，进程里的各种资源都有哪些呢？如下图所示：

​ （图1：进程资源）

• 内存管理相关

• 文件系统

• 调度相关

• 信号处理

• 内核栈

• 进程各种状态

• 进程运行时统计信息

• 进程标识

等等。

可以看出，进程中的资源是相当多的。

从 Linux 操作系统对进程的定义也可以看出。我以前对进程结构 task_struct 分析文章：Linux进程: task_struct结构体成员

多进程：操作系统有多个程序运行，那么就有多个进程，如下所示简图：

​ （图2：多进程简图）

二、线程

2.1 什么是线程？

《操作系统设计与实现》里说：

在传统操作系统中，每个进程中只存在一个地址空间和一个控制流（thread）。

然后，有些情况下，需要在相同地址空间中有多个控制流并行的运行，就像他们是单独的进程一样（只是他们共享相同的地址空间）。

这些控制流通常被称为线程（thread），有时也称为轻量级进程（lightweight process）。

尽管线程必须在进程中执行，但是线程和进程是可以分别对待处理的两个概念。进程用来集合资源，而线程是 CPU 调度的实体。

线程给进程模型增加的是，允许在同一个进程环境中有多个执行流，这些执行流在很大程度上相对独立。

也即是说，在进程中，程序执行的最小单位（执行流）是线程，可以把线程看作是进程里的一条执行流。

一个进程里可以有一条或多条线程。

​ (图3：进程里的线程)

2.2 为什么会有多线程？

在一个应用程序执行过程中，应用程序里可能会有多种事件执行。

而有些事件执行一段时间后可能会被阻塞。如果把应用程序执行事件分解成多个并行运行的线程，即可以让程序设计变得简单，如果有阻塞的，

可以把这部分让出行换其他线程执行。

还有一个原因是：

线程比进程更轻量级。所以线程比进程更加容易创建，销毁。

第三个跟第一个有点关系，是关于性能的，若多线程都是 CPU 密集型的，那么不能获取性能上增强。如果有大量计算和大量 I/O 处理，那么

多线程就可以获取性能上的优势，因为允许多线程重叠执行。

多线程的缺点：

1. 对于多线程来说，进程中的资源是共享的，所以会产生资源竞争。
2. 当进程中的一个线程崩溃了，会导致这个进程里的其他线程也崩溃。所以有时多进程程序更好，一个进程崩溃不会导致其他进程也崩溃。

三、进程与线程区别

从上面进程和线程介绍知道，线程是程序执行流的最小单位，进程是操作系统分配资源的单位。

进程与进程之间关系：

进程与进程之间是相互独立的。

线程与进程关系：

线程是进程里的执行流，进程里的线程可以是一个，也可以是多个。

所有线程共享进程里一些资源，比如代码，数据，地址空间，信号处理，打开文件，全局变量等。

同时，线程也有自己的寄存器，程序计数器，堆栈，线程状态等

​ （图4：进程与线程关系）

四、协程

协程是建立在线程之上，一般是语言级别的 ”多线程“ 模型，比线程更加的轻量级。有的叫它微线程。它是完全运行在用户态里。

协程是在线程之上在进行抽象，它需要线程来承载运行。一个线程可以运行多个协程。

比如 Go 语言的 goroutine，它用一个关键字 go 就可以运行一个协程程序。

在 Go 语言里面，协程是由 Go 提供的 runtime 来控制和调度。

协程的优点：

1. 协程栈很小，只有几KB，而线程栈是 1 M，对比起来，创建大量协程需要的内存更少。

2. 协程的调度是语言提供的 runtime 来调度，是在用户空间直接调度，不需要在内核空间和用户空间来回切换，浪费效率。

3. 能更好的利用 cpu 的多核，提高程序执行性能。

4. 避免阻塞，如果协程所在的线程发生了阻塞，那么协程调度器可以把运行在阻塞线程上的协程，调度到其它没有发生阻塞的线程上，继续运行。

五：协程与线程区别

1. 协程是运行在线程之上，一个线程可以运行多个协程。就像一个进程里可以有多个线程一样。
2. 协程能更好的利用多核机制。比如 Go 协程可以控制运行在多少个 CPU 的核上。
3. 协程是在用户空间完成调度，由语言提供的 runtime 进行调度完全用户态。线程由内核调度。
4. 协程使用内存更小。

六、参考

• 《操作系统设计与实现》作者: (美)ANDREW S.TANENBAUM / ALBERT S.WOODHULL
• //www.zhihu.com/question/20511233 协程有哪些好处
• //zh.wikipedia.org/wiki/行程 进程
• //zh.wikipedia.org/wiki/线程 线程
• //zh.wikipedia.org/wiki/协程 协程