前言

在操作系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)中，很多人對進(jìn)程線程有大體的認(rèn)識(shí)，但操作系統(tǒng)教材更偏向于理論敘述，本文會(huì)結(jié)合 Linux 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分析，更加印象深刻。

同時(shí)，大部分人都接觸進(jìn)程和線程比較多，對協(xié)程知之甚少，然而最近協(xié)程并發(fā)編程技術(shù)火熱起來，希望讀完本文你對協(xié)程也有一個(gè)基本的了解。

話不多說，我們馬上進(jìn)入本文的學(xué)習(xí)。

進(jìn)程

關(guān)于進(jìn)程和內(nèi)存管理我之前有一篇文章單獨(dú)講解過，感興趣的同學(xué)點(diǎn)這里《別再說你不懂Linux內(nèi)存管理了，10張圖給你安排的明明白白！》 這里再挑選一部分和本文相關(guān)的內(nèi)容學(xué)習(xí)，溫故而知新。

首先還是說下「程序」的概念，程序是一些保存在磁盤上的指令的有序集合，是靜態(tài)的。進(jìn)程是程序執(zhí)行的過程，包括了動(dòng)態(tài)創(chuàng)建、調(diào)度和消亡的整個(gè)過程，進(jìn)程是程序資源管理的最小單位。

進(jìn)程與資源

那么進(jìn)程都管理哪些資源呢？通常包括內(nèi)存資源、IO資源、信號處理等部分。

程序和進(jìn)程

篇幅有限著重說一下內(nèi)存管理，進(jìn)程運(yùn)行起來必然會(huì)涉及到對內(nèi)存資源的管理。內(nèi)存資源有限，操作系統(tǒng)采用虛擬內(nèi)存技術(shù)，把進(jìn)程虛擬地址空間劃分成用戶空間和內(nèi)核空間。

地址空間

4GB 的進(jìn)程虛擬地址空間被分成兩部分：用戶空間和內(nèi)核空間

用戶空間內(nèi)核空間

用戶空間

用戶空間按照訪問屬性一致的地址空間存放在一起的原則，劃分成 5個(gè)不同的內(nèi)存區(qū)域。訪問屬性指的是“可讀、可寫、可執(zhí)行等 。

代碼段

代碼段是用來存放可執(zhí)行文件的操作指令，可執(zhí)行程序在內(nèi)存中的鏡像。代碼段需要防止在運(yùn)行時(shí)被非法修改，所以只準(zhǔn)許讀取操作，它是不可寫的。

數(shù)據(jù)段

數(shù)據(jù)段用來存放可執(zhí)行文件中已初始化全局變量，換句話說就是存放程序靜態(tài)分配的變量和全局變量。

BSS段

BSS段包含了程序中未初始化的全局變量，在內(nèi)存中 bss 段全部置零。

堆 heap

堆是用于存放進(jìn)程運(yùn)行中被動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存段，它的大小并不固定，可動(dòng)態(tài)擴(kuò)張或縮減。當(dāng)進(jìn)程調(diào)用malloc等函數(shù)分配內(nèi)存時(shí)，新分配的內(nèi)存就被動(dòng)態(tài)添加到堆上（堆被擴(kuò)張）；當(dāng)利用free等函數(shù)釋放內(nèi)存時(shí)，被釋放的內(nèi)存從堆中被剔除（堆被縮減）

棧 stack

棧是用戶存放程序臨時(shí)創(chuàng)建的局部變量，也就是函數(shù)中定義的變量（但不包括 static 聲明的變量，static意味著在數(shù)據(jù)段中存放變量）。除此以外，在函數(shù)被調(diào)用時(shí)，其參數(shù)也會(huì)被壓入發(fā)起調(diào)用的進(jìn)程棧中，并且待到調(diào)用結(jié)束后，函數(shù)的返回值也會(huì)被存放回棧中。由于棧的先進(jìn)后出特點(diǎn)，所以棧特別方便用來保存/恢復(fù)調(diào)用現(xiàn)場。從這個(gè)意義上講，我們可以把堆?？闯梢粋€(gè)寄存、交換臨時(shí)數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)。

上述幾種內(nèi)存區(qū)域中數(shù)據(jù)段、BSS 段、堆通常是被連續(xù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，在位置上是連續(xù)的，而代碼段和棧往往會(huì)被獨(dú)立存放。堆和棧兩個(gè)區(qū)域在 i386 體系結(jié)構(gòu)中棧向下擴(kuò)展、堆向上擴(kuò)展，相對而生。

程序內(nèi)存分段

你也可以再 linux 下用size 命令查看編譯后程序的各個(gè)內(nèi)存區(qū)域大?。?/p>

［lemon ~］# size /usr/local/sbin/sshd

text data bss dec hex filename

1924532 12412 426896 2363840 2411c0 /usr/local/sbin/sshd

內(nèi)核空間

在 x86 32 位系統(tǒng)里，Linux 內(nèi)核地址空間是指虛擬地址從 0xC0000000 開始到 0xFFFFFFFF 為止的高端內(nèi)存地址空間，總計(jì) 1G 的容量， 包括了內(nèi)核鏡像、物理頁面表、驅(qū)動(dòng)程序等運(yùn)行在內(nèi)核空間 。

內(nèi)核空間地址映射

線程

線程是操作操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)度的最小單位。線程被包含在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中的實(shí)際運(yùn)作單位，一個(gè)進(jìn)程內(nèi)可以包含多個(gè)線程，線程是資源調(diào)度的最小單位。

多線程程序模型

線程資源和開銷

同一進(jìn)程中的多條線程共享該進(jìn)程中的全部系統(tǒng)資源，如虛擬地址空間，文件描述符文件描述符和信號處理等等。但同一進(jìn)程中的多個(gè)線程有各自的調(diào)用棧、寄存器環(huán)境、線程本地存儲(chǔ)等信息。

線程創(chuàng)建的開銷主要是線程堆棧的建立，分配內(nèi)存的開銷。這些開銷并不大，最大的開銷發(fā)生在線程上下文切換的時(shí)候。

線程切換

線程分類

還記得剛開始我們講的內(nèi)核空間和用戶空間概念嗎？線程按照實(shí)現(xiàn)位置和方式的不同，也分為用戶級線程和內(nèi)核線程，下面一起來看下這兩類線程的差異和特點(diǎn)。

用戶級線程

實(shí)現(xiàn)在用戶空間的線程稱為用戶級線程。用戶線程是完全建立在用戶空間的線程庫，用戶線程的創(chuàng)建、調(diào)度、同步和銷毀全由用戶空間的庫函數(shù)完成，不需要內(nèi)核的參與，因此這種線程的系統(tǒng)資源消耗非常低，且非常的高效。

特點(diǎn)

用戶線級線程只能參與競爭該進(jìn)程的處理器資源，不能參與全局處理器資源的競爭。

用戶級線程切換都在用戶空間進(jìn)行，開銷極低。

用戶級線程調(diào)度器在用戶空間的線程庫實(shí)現(xiàn)，內(nèi)核的調(diào)度對象是進(jìn)程本身，內(nèi)核并不知道用戶線程的存在。

用戶線程圖解

缺點(diǎn)

如果觸發(fā)了引起阻塞的系統(tǒng)調(diào)用的調(diào)用，會(huì)立即阻塞該線程所屬的整個(gè)進(jìn)程。

系統(tǒng)只看到進(jìn)程看不到用戶線程，所以只有一個(gè)處理器內(nèi)核會(huì)被分配給該進(jìn)程 ，也就不能發(fā)揮多核 CPU 的優(yōu)勢 。

內(nèi)核級線程

內(nèi)核線程建立和銷毀都是由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)、通過系統(tǒng)調(diào)用完成，內(nèi)核維護(hù)進(jìn)程及線程的上下文信息以及線程切換。

特點(diǎn)

內(nèi)核級線級能參與全局的多核處理器資源分配，充分利用多核 CPU 優(yōu)勢。

每個(gè)內(nèi)核線程都可被內(nèi)核調(diào)度，因?yàn)榫€程的創(chuàng)建、撤銷和切換都是由內(nèi)核管理的。

一個(gè)內(nèi)核線程阻塞與他同屬一個(gè)進(jìn)程的線程仍然能繼續(xù)運(yùn)行。

內(nèi)核線程圖解

缺點(diǎn)

內(nèi)核級線程調(diào)度開銷較大。調(diào)度內(nèi)核線程的代價(jià)可能和調(diào)度進(jìn)程差不多昂貴，代價(jià)要比用戶級線程大很多。

線程表是存放在操作系統(tǒng)固定的表格空間或者堆?？臻g里，所以內(nèi)核級線程的數(shù)量是有限的。

Linux 線程實(shí)現(xiàn)

Linux 并沒有為線程準(zhǔn)備特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因?yàn)?Linux只有task_struct這一種描述進(jìn)程的結(jié)構(gòu)體。在內(nèi)核看來只有進(jìn)程而沒有線程，線程調(diào)度時(shí)也是當(dāng)做進(jìn)程來調(diào)度的。Linux所謂的線程其實(shí)是與其他進(jìn)程共享資源的輕量級進(jìn)程。

為什么說是輕量級呢？在于它只有一個(gè)最小的執(zhí)行上下文和調(diào)度程序所需的統(tǒng)計(jì)信息，它只帶有進(jìn)程執(zhí)行相關(guān)的信息，與父進(jìn)程共享進(jìn)程地址空間 。

輕量級進(jìn)程

輕量級線程 Light-weight Process簡稱LWP ，是一種由內(nèi)核支持的用戶線程，每一個(gè)輕量級進(jìn)程都與一個(gè)特定的內(nèi)核線程關(guān)聯(lián)。

它是基于內(nèi)核線程的高級抽象，系統(tǒng)只有先支持內(nèi)核線程才能有 LWP。每一個(gè)進(jìn)程有一個(gè)或多個(gè) LWPs ，每個(gè)LWP 由一個(gè)內(nèi)核線程支持，在這種實(shí)現(xiàn)的操作系統(tǒng)中 LWP 就是用戶線程。

輕量級進(jìn)程

輕量級進(jìn)程最早在Linux 內(nèi)核 2.0.x 版本就已實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用程序通過一個(gè)統(tǒng)一的 clone（） 系統(tǒng)調(diào)用接口，用不同的參數(shù)指定創(chuàng)建的進(jìn)程是輕量進(jìn)程還是普通進(jìn)程。

特點(diǎn)和缺點(diǎn)

由于輕量輕量級進(jìn)程基于內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)，因此它的特點(diǎn)和缺點(diǎn)就是內(nèi)核線程的缺點(diǎn)，這里不再贅述。

查看 LWP 信息

輕量級線程也沒什么神秘的，還記得我在這篇文章《資深程序員總結(jié)：分析Linux進(jìn)程的6個(gè)方法，我全都告訴你》教你的方法嗎？我們用 Linux 的 pstack 命令可以查看進(jìn)程的輕量級線程 LWP 信息。下圖的黃色字體就是打印出的輕量級線程 ID ，以及該線程的調(diào)用堆棧信息，從最新的棧幀開始往下排列。

用法示例：pstack pid

pstack查看lwp

協(xié)程

協(xié)程的知名度好像不是很高，在以前我們談?wù)摳卟l(fā)，大部分人都知道利用多線程和多進(jìn)程部署服務(wù)，提高服務(wù)性能，但一般不會(huì)提到協(xié)程。其實(shí)協(xié)程的概念出來的比線程還早，只不過最近才被人們更多的提起。

協(xié)程之所以最近被大家熟知，個(gè)人覺得是 Python 和 Go 從語言層面提供了對協(xié)程更好的支持，尤其是以 Goroutine 為代表的 Go 協(xié)程實(shí)現(xiàn)，很大程度上降低了協(xié)程使用門檻，可以說是后起之秀了！

why 協(xié)程

當(dāng)今無數(shù)的 Web 服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，本質(zhì)上大部分都是 IO 密集型服務(wù)，什么是 IO 密集型服務(wù)？意思是處理的任務(wù)大多是和網(wǎng)絡(luò)連接或讀寫相關(guān)的高耗時(shí)任務(wù)，高耗時(shí)是相對 CPU 計(jì)算邏輯處理型任務(wù)來說，兩者的處理時(shí)間差距不是一個(gè)數(shù)量級的。

IO 密集型服務(wù)的瓶頸不在 CPU 處理速度，而在于盡可能快速的完成高并發(fā)、多連接下的數(shù)據(jù)讀寫。

以前有兩種解決方案：

如果用多線程，高并發(fā)場景的大量 IO 等待會(huì)導(dǎo)致多線程被頻繁掛起和切換，非常消耗系統(tǒng)資源，同時(shí)多線程訪問共享資源存在競爭問題。

如果用多進(jìn)程，不僅存在頻繁調(diào)度切換問題，同時(shí)還會(huì)存在每個(gè)進(jìn)程資源不共享的問題，需要額外引入進(jìn)程間通信機(jī)制來解決。

協(xié)程出現(xiàn)給高并發(fā)和 IO 密集型服務(wù)開發(fā)提供了另一種選擇。

當(dāng)然，世界上沒有技術(shù)銀彈。在這里我想把協(xié)程這把鑰匙交到你手中，但是它也不是萬能鑰匙，最好的解決方案是貼合自身業(yè)務(wù)類型做出最優(yōu)選擇，不一定就選擇一種模型，有時(shí)候是幾種模型的組合，比如多線程搭配協(xié)程是常見的組合。

什么是協(xié)程

那什么是協(xié)程呢？協(xié)程 Coroutines 是一種比線程更加輕量級的微線程。類比一個(gè)進(jìn)程可以擁有多個(gè)線程，一個(gè)線程也可以擁有多個(gè)協(xié)程，因此協(xié)程又稱微線程和纖程。

協(xié)程圖解

可以粗略的把協(xié)程理解成子程序調(diào)用，每個(gè)子程序都可以在一個(gè)單獨(dú)的協(xié)程內(nèi)執(zhí)行。

協(xié)程子程序模型

調(diào)度開銷

線程是被內(nèi)核所調(diào)度，線程被調(diào)度切換到另一個(gè)線程上下文的時(shí)候，需要保存一個(gè)用戶線程的狀態(tài)到內(nèi)存，恢復(fù)另一個(gè)線程狀態(tài)到寄存器，然后更新調(diào)度器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這幾步操作設(shè)計(jì)用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)轉(zhuǎn)換，開銷比較多。

線程切換

協(xié)程的調(diào)度完全由用戶控制，協(xié)程擁有自己的寄存器上下文和棧，協(xié)程調(diào)度切換時(shí)，將寄存器上下文和棧保存到其他地方，在切回來的時(shí)候，恢復(fù)先前保存的寄存器上下文和棧，直接操作用戶空間棧，完全沒有內(nèi)核切換的開銷。

協(xié)程切換

動(dòng)態(tài)協(xié)程棧

協(xié)程擁有自己的寄存器上下文和棧，協(xié)程調(diào)度切換時(shí)將寄存器上下文和棧保存下來，在切回來的時(shí)候，恢復(fù)先前保存的寄存器的上下文和棧。

Goroutine 是 Golang 的協(xié)程實(shí)現(xiàn)。Goroutine 的棧只有 2KB大小，而且是動(dòng)態(tài)伸縮的，可以按需調(diào)整大小，最大可達(dá) 1G 相比線程來說既不浪費(fèi)又靈活了很多，可以說是相當(dāng)?shù)膎ice了！

線程也都有一個(gè)固定大小的內(nèi)存塊來做棧，一般會(huì)是 2MB 大小，線程棧會(huì)用來存儲(chǔ)線程上下文信息。2MB 的線程棧和協(xié)程棧相比大了很多。

線程和協(xié)程棧對比

協(xié)程實(shí)現(xiàn)

Python協(xié)程實(shí)現(xiàn)

python 2.5 中引入 yield/send 表達(dá)式用于實(shí)現(xiàn)協(xié)程，但這種通過生成器的方式使用協(xié)程不夠優(yōu)雅。

python 3.5 之后引入async/await ，簡化了協(xié)程的使用并且更加便于理解。

Go語言協(xié)程實(shí)現(xiàn)

Golang 在語言層面實(shí)現(xiàn)了對協(xié)程的支持，Goroutine 是協(xié)程在 Go 語言中的實(shí)現(xiàn)， 在 Go 語言中每一個(gè)并發(fā)的執(zhí)行單元叫作一個(gè) Goroutine ，Go 程序可以輕松創(chuàng)建成百上千個(gè)協(xié)程并發(fā)執(zhí)行。

Go 協(xié)程調(diào)度器有三個(gè)重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

G 表示 Goroutine ，它是一個(gè)待執(zhí)行的任務(wù)；

M 表示操作系統(tǒng)的線程，它由操作系統(tǒng)的調(diào)度器調(diào)度和管理；

P 表示處理器 Processor，它可以被看做運(yùn)行在線程上的本地調(diào)度器；

協(xié)程調(diào)度

Go 調(diào)度器最多可以創(chuàng)建 10000 個(gè)線程，但可以通過設(shè)置 GOMAXPROCS 變量指能夠正常運(yùn)行的線程數(shù)， 這個(gè)變量的默認(rèn)值 等于 CPU 個(gè)數(shù)，也就是線程數(shù)等于 CPU 核數(shù)，這樣不會(huì)觸發(fā)操作系統(tǒng)的線程調(diào)度和上下文切換，所有的調(diào)度由 Go 語言調(diào)度器觸發(fā)，都是在用戶態(tài)，減少了非常多的調(diào)用開銷。

總結(jié)

這篇文章講解和對比了進(jìn)程、線程的概念，同時(shí)通過進(jìn)程窺探到操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的冰山一角，另外還講解了具體到 Linux 系統(tǒng)下線程的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)狀，順勢引出了輕量級進(jìn)程的概念。最后著重說明了大部分同學(xué)不太了解的協(xié)程，通過對比不同的服務(wù)模型，帶你了解協(xié)程的特點(diǎn)。
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