进程、线程、协程和goroutine

日晷

进程(process):

狭义定义:进程就是一段程序的执行过程例如启动的某个app。
广义定义:进程是一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它是操作系统动态执行的基本单元,在传统的操作系统中,进程即是基本的分配单元,也是基本的执行单元。

1)进程是一个实体,每个进程都有自己的地址空间,一般情况下,包含文本区域、数据区域、堆栈
2)进程是执行中的程序,程序是一个没有生命的实体,只有处理器赋予程序生命时,它才能成为一个活动的实体,我们称之为进程
3)进程本身不会运行,是线程的容器。线程不能单独执行,必须组成进程
4)一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程
5)对于操作系统来讲,一个任务就是一个进程,比如开一个浏览器就是启动一个浏览器进程。打开一款app就是打开一个进程,例如打开香哈就是运行了一个进程。
6)有些进程还不止同时做一件事情。比如打开香哈,它可以同时进行看视频并且回复用户评论,在一个进程内部,要同时干多件事情。

进程状态:(三状态)

  1. 就绪:获取出CPU外的所有资源、只要处理器分配资源就可以马上执行
  2. 运行:获得处理器分配的资源,程序开始执行
  3. 阻塞:当程序条件不够的时候,需要等待提交满足的时候才能执行。
三状态

进程状态:(五态模型)对于一个实际的系统,进程的状态及其转换更为复杂。引入新建态和终止态构成了进程的五态模型。

  1. 创建状态:进程在创建时需要申请一个空白PCB,向其中填写控制和管理进程的信息,完成资源分配。如果创建工作无法完成,比如资源无法满足,就无法被调度运行,把此时进程所处状态称为创建状态
  2. 就绪状态:进程已经准备好,已分配到所需资源,只要分配到CPU就能够立即运行
  3. 执行状态:进程处于就绪状态被调度后,进程进入执行状态
  4. 阻塞状态:正在执行的进程由于某些事件(I/O请求,申请缓存区失败)而暂时无法运行,进程受到阻塞。在满足请求时进入就绪状态等待系统调用
  5. 终止状态:进程结束,或出现错误,或被系统终止,进入终止状态。无法再执行
五状态

线程:

1)一个进程中至少有一个线程,不然就没有存在的意义
2)在一个进程内部,要同时干多件事情,就需要同时运行多个子任务,我们把进程内的这些子任务叫做线程
3)多线程就是为了同步完成多项任务(在单个程序中同时运行多个线程完成不同的任务和工作),不是为了提高运行效率,而是为了提高资源使用效率来提高系统的效率
4)一个简单的比喻,多线程就像是火车上的每节车厢,而进程就是火车
5)线程是程序执行流的最小单元。一个标准的线程由当前的线程ID、当前指令指针、寄存器和堆栈组成
6)同一个进程中的多个线程之间可以并发执行

线程状态:
1)就绪:指线程具备运行的所有条件,逻辑上可以运行,在等待处理机
2)运行:指线程占用处理机正在运行
3)阻塞:线程在等待一个事件,逻辑上不可执行

如果我们要同时执行多个任务怎么办?
1)启动多个进程,每个进程虽然只有一个线程,但是多个进程可以一块执行多个任务
2)启动一个进程,在一个进程内启动多个线程,这样多个线程也可以一块执行多个任务

多任务:
1)一边浏览网页、一边听歌、一边看电影;这就是多任务。


进程和线程关系

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(进程和线程都是由cpu 内核进行调度)。协程拥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。
对于 进程、线程,都是有内核进行调度,有 CPU 时间片的概念,进行 抢占式调度(有多种调度算法)
对于 协程(用户级线程),这是对内核透明的,也就是系统并不知道有协程的存在,是完全由用户自己的程序进行调度的,因为是由用户程序自己控制,那么就很难像抢占式调度那样做到强制的 CPU 控制权切换到其他进程/线程,通常只能进行 协作式调度,需要协程自己主动把控制权转让出去之后,其他协程才能被执行到。

goroutine 和协程区别

本质上,goroutine 就是协程。 不同的是,Golang 在 runtime、系统调用等多方面对 goroutine 调度进行了封装和处理,当遇到长时间执行或者进行系统调用时,会主动把当前 goroutine 的CPU (P) 转让出去,让其他 goroutine 能被调度并执行,也就是 Golang 从语言层面支持了协程。Golang 的一大特色就是从语言层面原生支持协程,在函数或者方法前面加 go关键字就可创建一个协程。

其他方面的比较

  1. 内存消耗方面
    每个 goroutine (协程) 默认占用内存远比 Java 、C 的线程少。
    goroutine:2KB(官方)
    线程:8MB(参考网络)

  2. 线程和 goroutine 切换调度开销方面
    线程/goroutine 切换开销方面,goroutine 远比线程小
    线程:涉及模式切换(从用户态切换到内核态)、16个寄存器、PC、SP...等寄存器的刷新等。
    goroutine:只有三个寄存器的值修改 - PC / SP / DX.

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