进程、线程、协程之间的演变

作者: 孤縌 | 来源:发表于2023-03-14 11:47 被阅读0次

1.进程

1.1定义

进程是计算机中一个正在执行的程序实例。进程是操作系统中最基本的执行单元，它拥有自己的程序代码、数据集合和执行状态，并由操作系统管理和调度。

1.2内容

进程通常由程序、数据集合和进程控制块三部分组成。

程序，是进程的代码部分，它是计算机程序的执行体现。程序通常由指令和数据组成，它们被存储在进程的内存空间中，并由 CPU 执行。
数据集合包括进程所需的所有数据，例如变量、数组、对象等。数据集合通常也被存储在进程的内存空间中，它们可以被程序访问和修改。
进程控制块（Process Control Block，PCB）是操作系统用来管理进程的数据结构。它包含了进程的状态、进程标识符、程序计数器、内存管理信息、进程优先级等信息。操作系统可以使用进程控制块来管理和调度进程，例如创建和终止进程、切换进程的执行等。

1.3特征

特征主要用于解释

动态性：进程是一个动态的概念，它代表了一个正在执行的程序实例，可以创建、调度和终止。在操作系统中，进程的创建和销毁是动态进行的。
并发性：在操作系统中，可以同时存在多个进程在执行，它们之间是并发执行的。操作系统可以通过进程调度算法来协调多个进程之间的执行，从而实现对系统资源的高效利用。
独立性：进程是操作系统中的独立执行单元，每个进程都有自己独立的内存空间、资源和执行状态，不会受到其他进程的影响。
异步性：不同进程之间的执行速度是不同的，它们可以相互竞争系统资源，例如 CPU、内存、I/O 设备等。进程之间的执行顺序是不可预测的，需要通过操作系统的调度算法进行管理。
共享性：进程之间可以共享系统资源，例如文件、消息队列、信号量等。操作系统提供了各种机制来协调进程之间的资源共享，从而实现对系统资源的高效利用。

1.4梳理

image.png

2.线程

2.1定义

线程是操作系统中能够被调度的最小执行单元。一个进程可以包含多个线程，每个线程都是独立的执行流程，拥有自己的程序计数器、栈和局部变量等线程上下文信息，但共享进程的代码、数据和全局变量等资源。

2.2由来

任务调度：任务调度是操作系统中的一种机制，它用于协调和管理系统中的各种任务或进程的执行顺序和优先级。任务调度器会根据一定的策略，将CPU时间片分配给需要执行的任务或进程，以实现高效的系统资源利用和响应性能。

在任务调度的过程中，操作系统会根据不同的调度算法来确定任务的执行顺序和优先级。常见的调度算法包括先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）、优先级调度、时间片轮转等。

在早期的操作系统中并没有线程的概念，进程是能拥有资源和独立运行的最小单位，也是程序执行的最小单位。任务调度采用的是时间片轮转的抢占式调度方式，而进程是任务调度的最小单位，每个进程有各自独立的一块内存，使得各个进程之间内存地址相互隔离。后来，随着计算机的发展，对CPU的要求越来越高，进程之间的切换开销较大，已经无法满足越来越复杂的程序的要求了，于是就发明了线程。

2.3内容

线程通常由线程 ID、程序计数器、寄存器集合、栈和状态等组成。

线程 ID：每个线程都有一个唯一的线程 ID，用于区分不同的线程。
程序计数器：程序计数器是一个指针，用于记录当前线程执行的位置。当线程被暂停或切换时，程序计数器的值会保存到线程控制块中，以便下次恢复执行。
寄存器集合：线程也拥有自己的寄存器集合，用于保存线程的局部变量和其他状态信息。
栈：每个线程都有自己的栈，用于保存函数调用时的参数、返回地址和局部变量等信息。线程栈通常比进程栈小得多，因为线程不需要保存进程的所有状态信息。
状态：线程可以处于就绪、运行、等待或结束等不同的状态。就绪状态表示线程可以立即执行，等待状态表示线程需要等待某些条件满足才能执行，运行状态表示线程正在执行，结束状态表示线程已经完成执行。

java线程状态图：线程状态图-参考博客

线程状态图

2.3.1Java栈

Java栈是Java虚拟机中的一种重要数据结构，用于存储方法调用的信息，包括局部变量、方法参数、返回值等。每个线程在运行时都会有一个对应的Java栈。

Java栈中的每个元素称为栈帧（Stack Frame），用于保存方法调用的上下文信息。栈帧中包含了局部变量表、操作数栈、返回地址和异常处理表等信息。

栈的数据结构

图片来源

2.3.2帧栈

寄存器的使用

在x86架构的CPU中，栈通常从高地址向低地址增长。通用寄存器（General Purpose Registers）：包括eax、ebx、ecx、edx、esi、edi、ebp、esp等8个寄存器。

ebp寄存器（Extended Base Pointer Register）：通常用于指向当前栈帧的基地址（Base Address）
esp寄存器（Extended Stack Pointer Register）：通常用于指向栈顶指针
ebx寄存器（Extended Base Register）：通常用作指针，保存内存地址，也用于存储函数调用的返回值。
edi寄存器（Destination Index Register）：通常用于存储目标地址，例如字符串复制等操作。
esi寄存器（Source Index Register）：通常用于存储源地址，例如字符串比较等操作。

操作流程：

调用方法时，会将当前栈帧压入虚拟机栈中，然后创建新的栈帧，并将ebp和esp寄存器设置为新栈帧的基地址和栈顶指针。

返回方法时，会弹出当前栈帧，并将ebp和esp寄存器恢复为上一个栈帧的基地址和栈顶指针。

参考博客

int main()
{
    int a = 10;
    int b = 20;
    int c = 0;
    c = max(a, b);
    printf( "%d\n", c);
    system( "pause");
    return 0;
}
int max(int x, int y)
{
    int z = 0;
    if (x > y)
        z = x;
    else
        z = y;
    return z;
}

执行顺序：

1.esp和ebp分别先指向main（）的栈帧基地址和栈顶

2.从栈底向栈顶方向压入，分别是参数、返回地址、main的返回地址、main的ebp基地址

3.最后栈顶会分别压入ebx、esi、edi寄存器

栈帧中包含了局部变量表、操作数栈、返回地址和异常处理表等信息。

栈帧内容

栈帧中包含了局部变量表、操作数栈、返回地址和异常处理表等信息。

局部变量表：用于存储方法中定义的局部变量，包括基本数据类型和对象引用等，以索引的方式访问，从0开始。
操作数栈：用于存储操作数和返回值，通常使用先进先出（FIFO）的方式进行操作。
返回地址：用于保存方法调用完成后返回的地址，以便程序跳转回原来的调用点继续执行。
异常处理表：用于保存方法执行过程中可能抛出的异常处理信息，以便在发生异常时进行处理。

操作数栈补充：

Java虚拟机规范中规定，每个操作数栈的最大深度不能超过255个栈单元。如果超过了这个限制，将会抛出StackOverflowError异常。操作数栈的大小受到Java虚拟机内存分配的限制，如果内存不足，也会抛出OutOfMemoryError异常。

复现方式：无限递归回调

2.4梳理

3.协程

3.1定义

协程，英文Coroutines，是一种基于线程之上，比线程更加轻量级的存在，这种由程序员自己写程序来管理的轻量级线程叫做『用户空间线程』，具有对内核来说不可见的特性。

概念补充：

内核线程：由操作系统内核创建和管理的一种线程，即跟CPU的物理核数相关
超线程技术（Hyper-Threading Technology）：是一种基于硬件的多线程技术，将单个物理处理器中增加一个线程调度器和一组寄存器，用于存储多个线程的上下文信息，以此实现并行执行多个线程的效果。

3.2由来

多线程的缺点

复杂度增加：多线程编程需要考虑线程之间的同步、互斥、协作等问题，如锁、信号量、条件变量等，增加了程序的复杂度和开发难度。
死锁和竞态条件：多线程之间共享内存区域，容易发生死锁、竞态条件等问题，导致程序的不稳定性和异常终止。
资源消耗增加：每个线程都需要一定的系统资源，如内存、文件句柄、网络连接等，大量的线程会导致系统资源的耗尽和浪费。
上下文切换开销：线程之间的切换需要进行上下文的保存和恢复，会增加系统开销和延迟，影响程序的性能和响应速度。

协程的优点

快速切换：相比线程，协程没有自己的调度器和上下文切换，协程通常采用生成器（Generator）或异步生成器（Async Generator）实现快速切换。生成器是一种特殊的函数，可以通过yield关键字暂停函数的执行，并返回一个中间结果，然后在需要的时候重新开始执行。异步生成器是一种特殊的生成器，可以在异步环境下使用，例如在事件循环中实现异步操作。
开销轻量：线程的默认Stack大小是1M，而协程接近1K，因此可减少多线程的系统资源开销。
低复杂度：线程的复杂度访问共有内存数据时，需要考虑锁、信号量、条件变量等，由此衍生出死锁和各种竞争状态，协程由于生成器是一种特殊的等待函数，可实现同步返回和恢复执行，且异步生成器则是异步返回和恢复执行，由此解决多线程网络通信、I/O操作等的死锁和竞争问题。

3.3原理

生成器：一种同步的生成器，它通过yield关键字来逐步生成数据。在生成器函数中，当执行到yield语句时，生成器会将当前状态保存下来，并将yield语句后面的值返回给调用方。当调用方需要获取下一个元素时，生成器会恢复之前保存的状态，并从上一次的yield语句处继续执行，生成下一个元素。生成器的应用场景主要是处理大量数据的场景，例如数据分页、数据转换等。
异步生成器：异步生成器是基于异步迭代器（Async Iterator）实现的，可以处理异步的数据源。当异步生成器需要生成下一个元素时，它会暂停当前的协程执行，等待异步数据源返回数据后再生成下一个元素。异步生成器的应用场景主要是处理异步数据源、网络通信等场景。

协程最重要的特点是支持挂起和恢复操作。在协程中，可以通过挂起函数将协程挂起，并将协程的状态保存下来，以便后续恢复执行。协程的挂起和恢复是由程序员手动控制的，因此可以更灵活地控制程序的执行顺序和并发度。

3.4梳理

博客参考：

https://www.cnblogs.com/Survivalist/p/11527949.html