协程

什么是进程和线程?
有一定基础的小伙伴们肯定都知道进程和线程。
进程:
直白地讲,进程就是应用程序的启动实例。比如我们运行一个游戏,打开一个软件,就是开启了一个进程。
进程拥有代码和打开的文件资源、数据资源、独立的内存空间。
线程:
线程从属于进程,是程序的实际执行者。一个进程至少包含一个主线程,也可以有更多的子线程。
线程拥有自己的栈空间。


有人给出了很好的归纳:
对操作系统来说,线程是最小的执行单元,进程是最小的资源管理单元。
无论进程还是线程,都是由操作系统所管理的。
Java中线程具有五种状态:
初始化
可运行
运行中
阻塞
销毁
这五种状态的转化关系如下:


但是,线程不同状态之间的转化是谁来实现的呢?是JVM吗?
并不是。JVM需要通过操作系统内核中的TCB(Thread Control Block)模块来改变线程的状态,这一过程需要耗费一定的CPU资源。
进程和线程的痛点
线程之间是如何进行协作的呢?
最经典的例子就是生产者/消费者模式:
若干个生产者线程向队列中写入数据,若干个消费者线程从队列中消费数据。



这段代码做了下面几件事:
1.定义了一个生产者类,一个消费者类。
2.生产者类循环100次,向同步队列当中插入数据。
3.消费者循环监听同步队列,当队列有数据时拉取数据。
4.如果队列满了(达到5个元素),生产者阻塞。
5.如果队列空了,消费者阻塞。
上面的代码正确地实现了生产者/消费者模式,但是却并不是一个高性能的实现。为什么性能不高呢?原因如下:
1.涉及到同步锁。
2.涉及到线程阻塞状态和可运行状态之间的切换。
3.涉及到线程上下文的切换。
以上涉及到的任何一点,都是非常耗费性能的操作。



什么是协程
协程,英文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,一个线程也可以拥有多个协程。



最重要的是,协程不是被操作系统内核所管理,而完全是由程序所控制(也就是在用户态执行)。
这样带来的好处就是性能得到了很大的提升,不会像线程切换那样消耗资源。
既然协程这么好,它到底是怎么来使用的呢?
由于Java的原生语法中并没有实现协程(某些开源框架实现了协程,但是很少被使用),所以我们来看一看python当中对协程的实现案例,同样以生产者消费者模式为例:

这段代码十分简单,即使没用过python的小伙伴应该也能基本看懂。
代码中创建了一个叫做consumer的协程,并且在主线程中生产数据,协程中消费数据。
其中 yield 是python当中的语法。当协程执行到yield关键字时,会暂停在那一行,等到主线程调用send方法发送了数据,协程才会接到数据继续执行。
但是,yield让协程暂停,和线程的阻塞是有本质区别的。协程的暂停完全由程序控制,线程的阻塞状态是由操作系统内核来进行切换。
因此,协程的开销远远小于线程的开销。
协程的应用
有哪些编程语言应用到了协程呢?我们举几个栗子:

Lua语言
Lua从5.0版本开始使用协程,通过扩展库coroutine来实现。
Python语言
正如刚才所写的代码示例,python可以通过 yield/send 的方式实现协程。在python 3.5以后,async/await 成为了更好的替代方案。
Go语言
Go语言对协程的实现非常强大而简洁,可以轻松创建成百上千个协程并发执行。
Java语言
如上文所说,Java语言并没有对协程的原生支持,但是某些开源框架模拟出了协程的功能,有兴趣的小伙伴可以看一看Kilim框架的源码。

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