打開線程 | 進程 | 協(xié)程的大門

時間：2021-03-24 22:01:02

關(guān)鍵字：線程進程協(xié)程

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[導(dǎo)讀]不知從幾何起，可能是大三那年的操作系統(tǒng)考試，也可能是剛經(jīng)歷完的秋招，這些概念總是迷迷糊糊，可能自己回答的和其他人的答復(fù)也差不多，并沒有什么亮點。

不知從幾何起，可能是大三那年的操作系統(tǒng)考試，也可能是剛經(jīng)歷完的秋招，這些概念總是迷迷糊糊，可能自己回答的和其他人的答復(fù)也差不多，并沒有什么亮點，通常都會以：「我們換個題」的方式結(jié)束，有時候也挺尷尬的。我們不妨看看這樣幾個題應(yīng)該怎么去回答

進程和線程是什么
進程和線程有什么區(qū)別
為什么有了進程又出現(xiàn)線程
內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)有啥不同
協(xié)程有什么特點

太多太多一系列的問題伴隨到學(xué)習(xí)，工作的各個階段，這些問題確實不怎么好回答，除非你真的理解到它的底層原理，否則很容易就把自己套進去，那么今天我們一起來看看這些問題都是怎么產(chǎn)生的，為什么總是會問這些題，開始吧

前言

進程線程協(xié)程

進程和線程

進程，平時我們打開一個播放器，開一個記事本，這些都是應(yīng)用程序，一個軟件的執(zhí)行副本，這就是進程。從操作系統(tǒng)層面而言，進程是分配資源的基本單位，線程在很長時間被稱為輕量級的進程，是程序執(zhí)行的基本單位。

這樣看來一個分配資源的基本單位，一個是程序執(zhí)行的基本單元。以前面試的時候，我經(jīng)常也就這樣背給面試官了，當(dāng)自己成為了面試官才發(fā)現(xiàn)這些孩子答案為啥都是這個，原來網(wǎng)上大部分的資料也就說了這些呢，直接這樣死記硬背當(dāng)然不行，讓我們回到最初的計算機時代。

最初的計算機時代是什么樣子呢

那個時代呀，程序員會將寫好的程序放入閃存中，然后插入到機器里，通過電能推動芯片計算，那么芯片從閃存中取出指令，然后執(zhí)行下一條執(zhí)行，一旦閃存中的執(zhí)行執(zhí)行完了，計算機就要關(guān)機了

閃存時代

這在早期叫做單任務(wù)模型，也叫做作業(yè)(Job)。隨著人們的需求越來越多，生活的多元化，慢慢出現(xiàn)了辦公，聊天，游戲等，這個時候不得不在同一臺計算機中來回的切換，人們就想要不通過線程和進程來處理這個問題

那是怎么處理的方式？

比如說一個游戲，啟動后為一個進程，但是一個游戲場面的呈現(xiàn)需要圖形的渲染，聯(lián)網(wǎng)，這些操作不能相互的阻塞，如果阻塞了，卡起就很難受，總覺得這游戲怎么這么 low，我們希望它們能同時的運行，所以將其各個部分設(shè)計為線程，這就出現(xiàn)了一個進程有多個線程

既然一個進程有多個線程，這個資源分配如何處理？

啟動一個游戲，首先需要存儲這些游戲參數(shù)，所以需要內(nèi)存資源，當(dāng)進行攻擊等動作時候，發(fā)出的各種動作指令需要計算，所以需要計算資源 CPU，還需要需要存儲一些文件，所以還需要文件資源。由于早期的 OS 沒有線程的概念，所以讓各個進程采用分時的技術(shù)交替執(zhí)行，通過管道等技術(shù)讓各個進程進行通信。

這樣看上去比較完美了，啟動一個游戲后出來這么多進程，那么能不能啟動游戲后，在這個進程下面安排一種技術(shù)，讓其僅僅分配 CPU 資源呢，這就出現(xiàn)了線程

這個線程如何分配的？

線程概念被提出來以后，因為只分配了CPU 計算資源，所以也叫做輕量級的進程。通過操作系統(tǒng)來調(diào)度線程，也就是說操作系統(tǒng)創(chuàng)建進程后，“牽個線”，進程的入口程序被放在主線程中，看起來就感覺是操作系統(tǒng)在調(diào)度進程，實際上調(diào)度的是進程中線程，這種被操作系統(tǒng)直接調(diào)度的線程叫做內(nèi)核級線程。

既然有內(nèi)核級別線程，當(dāng)然有用戶級線程，相當(dāng)于操作系統(tǒng)調(diào)度線程，主線程通過程序的方式實現(xiàn)子線程，這就是用戶級線程，典型的即 Linux 中的 Phread API。既然說到內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)，我們來看看兩者有什么作用

用戶態(tài)線程

它完全是在用戶空間創(chuàng)建，對于操作系統(tǒng)而言是不知情的，用戶級線程的優(yōu)勢如下：

切換成本低：用戶空間自己維護，不用走操作系統(tǒng)的調(diào)度
管理開銷小：創(chuàng)建和銷毀不用系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用所造成的上下文切換下文會講解

用戶態(tài)線程有什么缺點

與內(nèi)核溝通成本大：因為這種線程大部分時間在用戶空間，如果進行 IO 操作，很難利用內(nèi)核的優(yōu)勢，且需要頻繁的用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換
線程之間的協(xié)作麻煩：想象兩個線程 A 和 B需要通信，通信通常會涉及到 IO 操作，IO 操作涉及到系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用又要發(fā)生用戶態(tài)和內(nèi)核套的切換成本，難
操作系統(tǒng)無法針對線程的調(diào)度進行優(yōu)化：如果一個進程的用戶態(tài)線程阻塞了操作系統(tǒng)無法及時的發(fā)現(xiàn)和處理阻塞問題，它不會切換其他線程從而造成浪費

內(nèi)核態(tài)線程

內(nèi)核態(tài)線程執(zhí)行在內(nèi)核態(tài)，一般通過系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)造一個內(nèi)核級線程，那么有哪些優(yōu)點？

操作系統(tǒng)級優(yōu)化：內(nèi)核中的線程即使執(zhí)行 IO 操作也不需要進行系統(tǒng)調(diào)用，一個內(nèi)核阻塞可以讓其他立即執(zhí)行
充分利用多核優(yōu)勢：內(nèi)核權(quán)限足夠高，可以在多個 CPU 核心執(zhí)行內(nèi)核線程

內(nèi)核級線程有什么缺點？

創(chuàng)建成本比較高：創(chuàng)建的時候需要使用系統(tǒng)調(diào)用即切換到內(nèi)核態(tài)
切換成本高：切換的時候需要進行內(nèi)核操作
擴展性差：因為一個內(nèi)核管理，坑位有限，不可能數(shù)量太多

用戶態(tài)線程和內(nèi)核態(tài)線程的映射關(guān)系是怎樣的呢

上面談到用戶態(tài)線程和內(nèi)核態(tài)線程都有缺點，用戶態(tài)線程創(chuàng)建成本低，不可以利用多核，而內(nèi)核態(tài)線程創(chuàng)建成本高，雖可以利用多核，但是切換速度慢。所以，通常都會在內(nèi)核中預(yù)留一些線程并反復(fù)使用這些線程，至此出現(xiàn)了以下幾種映射關(guān)系

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)映射之一--多對一

內(nèi)核線程的創(chuàng)建成本既然高，那么我們就是多個用戶態(tài)進程的多線程復(fù)用一個內(nèi)核態(tài)線程，可是這樣線程不能并發(fā)，所以此模型用戶很少

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用戶態(tài)線程與內(nèi)核態(tài)線程多對一

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)映射之二--一對一

讓每個用戶態(tài)線程分配一個單獨的內(nèi)核態(tài)線程，每個用戶態(tài)線程通過系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個綁定的內(nèi)核線程，這種模型能夠并發(fā)執(zhí)行，充分利用多核的優(yōu)勢，出名的 Windows NT即采用這種模型，但是如果線程比較多，對內(nèi)核的壓力就太大

用戶態(tài)線程與內(nèi)核態(tài)線程一對一

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)映射之三--多對多

即 n 個用戶態(tài)線程對應(yīng) m 個內(nèi)核態(tài)線程。m通常小于等于n，m通常設(shè)置為核數(shù)，這種多對多的關(guān)系減少了內(nèi)核線程且完成了并發(fā)，Linux即采用的這種模型

用戶態(tài)線程與內(nèi)核態(tài)線程多對一用戶態(tài)線程與內(nèi)核態(tài)線程多對多

一臺計算機會啟動很多進程，其數(shù)量當(dāng)然是大于 CPU 數(shù)量，只好讓 CPU 輪流的分配給它們，讓我們產(chǎn)生了多任務(wù)同時執(zhí)行的錯覺，那有沒有想過這些任務(wù)執(zhí)行之前，CPU都會干啥？

CPU 既然要執(zhí)行它，勢必會去了解從哪里加載它，又從哪里開始運行，也就是說，需要系統(tǒng)提前將它們設(shè)置好 CPU 寄存器和程序計數(shù)器

眼中的寄存器和程序計數(shù)器是什么？

它雖小不過威力卻很大，速度很快的內(nèi)存。而程序計數(shù)器用來記錄正在執(zhí)行指令的位置，這些CPU需要依賴的環(huán)境即 CPU 的上下文。上下文知道了，那么 CPU 的切換是不是就很好理解

將前一個任務(wù)的 CPU 上下文保存下來，加載新任務(wù)的上下文到寄存器和程序計數(shù)器中，然后跳轉(zhuǎn)到程序計數(shù)器所指向的位置。根據(jù)任務(wù)的不同又分為進程的上下文和線程的上下文

進程的上下文

進程在用戶空間運行的時候叫做用戶態(tài)，陷入到內(nèi)核空間叫做進程的內(nèi)核態(tài)，如果用戶態(tài)的進程想轉(zhuǎn)變到內(nèi)核態(tài)，則可以通過系統(tǒng)調(diào)用的方式完成。進程由內(nèi)核調(diào)度，進程的切換發(fā)生在內(nèi)核態(tài)

進程的上下文包含哪些數(shù)據(jù)？

既然進程的切換發(fā)生在內(nèi)核態(tài)，那么進程的上下文不僅僅包括虛擬內(nèi)存，棧，全局變量等用戶空間資源，還包括了內(nèi)核堆棧，寄存器等內(nèi)核空間的狀態(tài)

這里的保存上下文和恢復(fù)上下文也不是說免費的，需要內(nèi)核在 CPU 上運行才能完成

上下文保存

線程上下文切換

看到這里，你肯定可以脫口而出兩者的區(qū)別在于線程是調(diào)度的基本單位，而進程是資源擁有的基本單位。講白了，內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度實際上調(diào)度的是線程，進程只是為線程提供虛擬內(nèi)存，全局變量等資源，所以這樣理解可能更好：

進程如果只有一個線程，那么認(rèn)為進程就是線程
如果進程有多個線程，那么多個線程會共享相同的虛擬內(nèi)存和全局變量等資源，上下文的切換不會影響這些資源
線程擁有自己的私有數(shù)據(jù)比如棧和寄存器，上下文切換的時候需要提前保存

綜上，線程的上下文切換將分為兩個部分

兩個線程不屬于同一個進程，那么資源不共享，所以切換過程就會涉及到進程的上下文切換
第二種情況即兩個線程屬于同一個進程。因為共享虛擬內(nèi)存，所以切換的時候這些資源保持不動，只需要切換線程的私有數(shù)據(jù)等不共享的數(shù)據(jù)

這也從側(cè)面表明了，進程內(nèi)的線程切換比多進程間的切換會節(jié)省不少資源，這也是多線程逐漸替代多進程的一個優(yōu)勢

那么系統(tǒng)調(diào)用又是怎么執(zhí)行的？

真的是一環(huán)接一環(huán)，是不是像極了面試，是的，我們對面試官的每一次回答都應(yīng)該盡全力的讓面試官上鉤，問自己所能回答的問題不是。

如果用戶態(tài)的程序要執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，則需要切換到內(nèi)核態(tài)執(zhí)行，這個過程如下圖所示，一圖勝千言

系統(tǒng)調(diào)用過程

既然分為了用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，兩者權(quán)限級別不盡相同，用戶態(tài)的程序發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用，因為涉及到權(quán)限問題，不得不牽扯到特權(quán)指令，所以就會通過中斷的方式執(zhí)行，即上圖的 Trap。

發(fā)生中斷以后，內(nèi)核程序就開始執(zhí)行，處理完成又要觸發(fā) Trap，切換到用戶態(tài)的工作，這里又涉及到了中斷，我們這篇就先簡單了解下中斷

中斷做了什么？

我們以平時經(jīng)常接觸的鍵盤為例，當(dāng)我們敲下鍵盤，主板收到按鍵后通知 CPU ，CPU 此時可能在忙處理其他程序，需要先中斷當(dāng)前執(zhí)行的程序，然后將 PC 指針跳轉(zhuǎn)到固定的位置，這就是一次中斷的簡單描述

可是我們不同的組合按鍵對應(yīng)不同的事件，所以需要根據(jù)中斷類型判斷 PC 指針到底跳轉(zhuǎn)到哪兒，中斷類型的不同，PC 指針?biāo)鶊?zhí)行的位置也就不同，因此進行了分類，這個類型呢我們稱為中斷識別碼。CPU 通過 PC 指針知道需要跳轉(zhuǎn)到哪個地址進行處理，這個地址叫做中斷向量表

舉個例子，使用編號 8 表示按鍵中斷類型A的識別碼，編號 9 表示中斷類型 B 的識別碼。當(dāng)中斷發(fā)生的時候，對于CPU而言，是需要知道到底讓 PC 指針指向哪個地址，這個地址就是中斷向量

假設(shè)我們設(shè)置了 255 個中斷，編號為 0 - 255，在 32 位機器中差不多需要 1k 的內(nèi)存地址存儲中斷向量，這里的 1k 空間就是中斷向量表。

因此，當(dāng) CPU 接收到中斷，根據(jù)中斷類型操作 PC 指針，找到中斷向量，修改中斷向量，插入指令實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)功能

進程和線程都出現(xiàn)了，那么怎么調(diào)度？

計算機資源有限，太多的進程消耗機器自然受不住，我們?nèi)艘惨粯?，胃也有限嘛，一頓不吃餓得慌，可是吃多了也會走路腳顫抖不是，所以聰明的計算機也會想辦法來處理這個問題。兩手一揮，既然我們的 CPU 的核數(shù)有限，要不咋們給每個進程分配一個時間片，排隊一個個執(zhí)行，超出給定的時間就直接讓另一個進程執(zhí)行如何

那時間片怎么分配？

假設(shè)此時有三個進程，進程1只需要 2 個時間片，進程2需要1個時間片，進程3需要3個時間片。進程1執(zhí)行到一半的時候，累了，不想執(zhí)行了，休息會(掛起)，進程2執(zhí)行，進程2一梭子就執(zhí)行完了，進程3等不及了馬上執(zhí)行，執(zhí)行三分之一后，進程1開始執(zhí)行，這樣循環(huán)根據(jù)時間片的執(zhí)行方式即分時技術(shù)

分時技術(shù)

剛才有說到進程的狀態(tài)，那么有哪些狀態(tài)？

一個進程的周期一般會分為下面三種狀態(tài)

就緒狀態(tài)：進程創(chuàng)建好了會開始排隊，這個時候叫做“就緒狀態(tài)”
運行狀態(tài)：當(dāng)一切準(zhǔn)備就緒，天時地利人和后開始執(zhí)行，此時為“運行狀態(tài)”
如果將時間片用完了會再次變?yōu)榫途w狀態(tài)

運行就緒

如果進程因為等待某個進程的完成，此時會進入阻塞狀態(tài)

進程阻塞

為什么需要阻塞狀態(tài)

我們想想，有的時候計算機會因為各種原因不能響應(yīng)我們的請求，可能是因為等待磁盤，可能因為等待打印機，畢竟不會總是的及時的滿足我們的需求，所以它這個時候通過中斷告訴 CPU ，CPU 通過執(zhí)行中斷處理程序，將控制權(quán)給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)隨后將阻塞的進程狀態(tài)修改為就緒狀態(tài)，安排重新排隊，再加上因為進程進入阻塞狀態(tài)無事可做，但是又不能干癟癟的讓他去排隊（因為需要等待中斷），所以進入到阻塞狀態(tài)。

下面對以上所說的三種狀態(tài)進行一個小結(jié)

就緒狀態(tài)( Ready )：可運行，只不過其他進程在運行暫時停止
運行( Running)：此時進程占用 CPU
阻塞狀態(tài)( blo ck ): 此時可能因為等待相關(guān)事件(請求 IO/等待 IO 完成等) 而停止運行，此時即使把 CPU 控制權(quán)給它，仍然無法運行

其實，進程還有兩種基本狀態(tài)

創(chuàng)建狀態(tài) ( New )：進程剛被創(chuàng)建還沒有提交時的狀態(tài)，主要功能為分配和建立進程控制塊等初始化工作。創(chuàng)建進程有兩個階段，第一個階段為為新的進程創(chuàng)建必要的管理信息。第二個階段為讓進程進入就緒狀態(tài)
終止?fàn)顟B(tài) ( Exit )：進程退出的狀態(tài)，即回收除了進程控制塊以外的資源。也分為兩個階段，第一個階段為等待操作系統(tǒng)進行善后處理，第二個階段為釋放主存

所以一共就包含了五個狀態(tài)，為了更加直觀，其變遷圖如下

五種形態(tài)

Null---->創(chuàng)建狀態(tài)：最初創(chuàng)建的第一個狀態(tài)
創(chuàng)建狀態(tài)----->就緒狀態(tài)：進行一些列的初始化稱為就緒狀態(tài)
就緒狀態(tài)----->運行狀態(tài)：當(dāng)操作系統(tǒng)調(diào)度就緒狀態(tài)的進程并分配給 CPU 變?yōu)檫\行狀態(tài)
運行狀態(tài)------>結(jié)束狀態(tài)：當(dāng)進程完成相應(yīng)任務(wù)或出錯則被操作系統(tǒng)結(jié)束的狀態(tài)
運行狀態(tài)------>阻塞狀態(tài)：運行狀態(tài)的進程由于時間片用完，操作系統(tǒng)將進程更改為就緒狀態(tài)
阻塞狀態(tài)------->就緒狀態(tài)：阻塞狀態(tài)的進程等待某事件結(jié)束進入就緒狀態(tài)

其實不是賣光子，實際上還有兩種狀態(tài)，分別是就緒掛起和阻塞掛起，那我們看看那這兩者有啥不一樣

掛起是一種行為，而阻塞是進程的狀態(tài)
導(dǎo)致進程掛起的原因通常是因為內(nèi)存不足或者用戶的請求，進程的修改等，而進程的阻塞是進程正在等待某個事件發(fā)生，可能是等待資源或響應(yīng)
掛起對應(yīng)的是行為的激活，將外存中的進程掉入內(nèi)存中，而處于阻塞狀態(tài)的進程需要等待其他進程或系統(tǒng)喚醒
掛起屬于被動行為，進程被迫從內(nèi)存轉(zhuǎn)移到外存，而進入阻塞為主動的行為

綜上，現(xiàn)在咋們的進程圖就變?yōu)榱似叻N狀態(tài)，如下

進程的七種狀態(tài)

進程與線程的底層原理

上面我們了解了進程，線程的由來以及狀態(tài)變遷，但是顯然不能讓我自如的了解進程和線程，至于其如何在內(nèi)存表示等問題還是比較空虛的，所以我們繼續(xù)往下看

進程和線程在內(nèi)存中如何表示

在整個設(shè)計過程中，涉及了兩張表，分別是進程表和線程表。其中進程表會記錄進程在內(nèi)存的位置，PID是多少，以及當(dāng)前什么狀態(tài)，內(nèi)存給它分配了多大使用空間以及屬于哪個用戶，假設(shè)沒有這張表，操作系統(tǒng)就不知道有哪些進程，也就更不清楚怎么去調(diào)度，就仿佛失去XXX，不知道了方向

進程表

尤其需要注意進程表這樣幾個部分

資源信息

資源信息會記錄這個進程有哪些資源，比如進程和虛擬內(nèi)存怎么映射，擁有哪些文件等

內(nèi)存布局

內(nèi)存的知識點太多，如果在這里寫文章將會非常的長，所以打算單獨使用一篇文章寫。

在 Linux 中，操作系統(tǒng)采用虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，使得進程都擁有獨立的虛擬內(nèi)存空間，理由也比較直接，物理內(nèi)存不夠用且不安全(用戶不能直接訪問物理內(nèi)存)，使用虛擬內(nèi)存不但更安全且可以使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。

另外，在 32 位的操作系統(tǒng)中，4GB 的進程地址空間分為兩個部分，用戶空間和內(nèi)核空間，用戶空間為 0～3G，內(nèi)核地址空間占據(jù) 3～4G，用戶不能直接操作內(nèi)核空間虛擬地址，只有通過系統(tǒng)調(diào)用的方式訪問內(nèi)核空間。

操作系統(tǒng)會告訴進程如何使用內(nèi)存，大概分為哪些區(qū)域以及每個區(qū)域做什么。簡單描述下下圖各個段的作用。

棧：系統(tǒng)自動分配釋放，平時經(jīng)常使用的函數(shù)參數(shù)值，局部變量，返回地址等就在此
堆：存放動態(tài)分配的數(shù)據(jù)，通常由開發(fā)人員自行管理，如果開發(fā)人員使用后不釋放，那么程序結(jié)束后可能會被操作系統(tǒng)收回
數(shù)據(jù)段：存放的是全局變量和靜態(tài)變量。其中初始化數(shù)據(jù)段（.data）存放顯示初始化的全局變量和靜態(tài)變量，未初始化數(shù)據(jù)段，此段通常也被稱為BSS段（.bss），存放未進行顯示初始化的全局變量和靜態(tài)變量。

進程內(nèi)存布局

描述信息

描述信息包含進程的唯一識別號，進程的名稱以及用戶等

除了給進程安排一張表以外，給線程也安排了一張表，這就是線程表。線程表也包含了一個 ID,這 ID 叫做 ThreadID，同時也會記錄自己在不同階段的狀態(tài)，比如阻塞，運行，就緒。由于多個線程會共用 CPU 且需要不停的切換，所以需要記錄程序計數(shù)器和寄存器的值。

說到了用戶級的線程和內(nèi)核級的線程，兩者又是怎么個親密關(guān)系

兩者映射的關(guān)系如何去表示

可以想像在內(nèi)核中有一個線程池，給予用戶空間使用，每次用戶級線程把程序計數(shù)器等傳遞過去，執(zhí)行結(jié)束后，內(nèi)核線程不銷毀，等待下一個任務(wù)，從這里可以看出創(chuàng)建進程開銷大、成本高；創(chuàng)建線程開銷小，成本低。

這么多進程難道共用內(nèi)存？

操作系統(tǒng)太多的進程，為了讓他們各司其職，互不干擾，考慮為他們分配完全隔離的內(nèi)存區(qū)域，即使程序內(nèi)部讀取相同的內(nèi)存地址，但實際上他們的物理地址也不一樣。就仿佛我在 X 座的 501 和你在 Y 座的501一樣卻不是一個房子，這就是地址空間

所以在正常的情況下 A 進程不能訪問 B 進程的內(nèi)存，除非你植入一個木馬，惡意操作 B 進程的內(nèi)存或者通過我們后面說的進程間通信的方式進行訪問

那進程線程怎么切換的呢？

操作系統(tǒng)的大量進程需要來回的切換，保持有借有還再借不難的傳統(tǒng)美德，每次切換之前需要先記錄下當(dāng)前寄存器值的內(nèi)存地址，方便下次回到原位置繼續(xù)執(zhí)行?；謴?fù)執(zhí)行的時候就從內(nèi)存中讀取，然后恢復(fù)狀態(tài)執(zhí)行即可

進程切換

為了詳細的讓大家理解這個過程，我將其拆分為下面幾個步驟

操作系統(tǒng)感知到有個進程需要切換，先發(fā)出一個中斷信號給 CPU ，讓其停止當(dāng)前進程
CPU 收到中斷信號后，正在執(zhí)行的進程會停止，好心的操作系統(tǒng)會想辦法先保存當(dāng)前的狀態(tài)
操作系統(tǒng)接管中斷后，執(zhí)行一段匯編程序幫助寄存器之前進程的狀態(tài)
當(dāng)操作系統(tǒng)保存好狀態(tài)后就會執(zhí)行調(diào)度程序，讓其決定下一個將要執(zhí)行的進程
最后操作系統(tǒng)會執(zhí)行下一個進程

進程與中斷

中斷以后如何恢復(fù)之前進程運行呢

上面說到操作系統(tǒng)會執(zhí)行一段代碼幫助進程恢復(fù)狀態(tài)，其實現(xiàn)方式中，有一種方式即通過棧的先進后出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以對吧，大學(xué)中的基礎(chǔ)課程真的好重要。

進程（線程）中斷后，操作系統(tǒng)負責(zé)壓棧關(guān)鍵數(shù)據(jù)（比如寄存器）?；謴?fù)執(zhí)行時，操作系統(tǒng)負責(zé)出棧和恢復(fù)寄存器的值。

協(xié)程

第一次接觸協(xié)程是一次自動駕駛項目中，一起干活的同事說這個庫底層使用了協(xié)程，我一臉懵逼，??？攜程？準(zhǔn)備收拾行李回家了？半天想過來了，其有個底層庫使用了協(xié)程，當(dāng)時還一臉懵逼，進程，線程就已經(jīng)夠折騰人了，怎么又來個協(xié)程，當(dāng)時想著到時候面試官是不是又多了問問題的思路

什么是協(xié)程
協(xié)程和進程，線程的區(qū)別是什么
協(xié)程有什么優(yōu)缺點

你們說頭不禿怎么破？行嘛，為了生活，不，喜愛計算機，止不住學(xué)習(xí)的步伐，下面我們看看這個東西是什么

為什么需要協(xié)程？

我們在執(zhí)行多任務(wù)的時候通常采用多線程的方式并發(fā)執(zhí)行。我們以最近非?；馃岬碾娚檀黉N茅臺為例，不管茅臺是在緩存中還是后端的數(shù)據(jù)，最開始的用戶也就是10個，每當(dāng)收到10條付款信息就開啟10個線程去查詢數(shù)據(jù)庫，此時用戶量少，馬上就可返回，第二天增加到100人，使用100個線程去查詢，感覺確實效果不錯，加大促銷力度，當(dāng)同時出現(xiàn)1000個人的時候感覺到有點吃力了

增長的線程

1000-10000，看了前面的內(nèi)容應(yīng)該清楚創(chuàng)建銷毀線程還是挺費資源的，假設(shè)每個線程占用 4M內(nèi)存空間，那么10000個線程大概需要消耗 39G 內(nèi)存，可是服務(wù)器也就 8G 內(nèi)存。

此時的方案要么增加服務(wù)器要么提升代碼效率。多個線程在進行作業(yè)的時候，難免會遇到某個線程等待 IO 的情況，此時會阻塞當(dāng)前線程切換到其他線程，使得其他線程照常執(zhí)行，線程少的時候沒什么問題，當(dāng)線程數(shù)量變多就會出現(xiàn)問題，線程數(shù)量的增加不僅占用非常多的內(nèi)存空間且過多的線程的切換也會占用大量的系統(tǒng)時間

線程開銷

此時就可以通過協(xié)程的方式解決這個問題

協(xié)程運行在線程之上，協(xié)程執(zhí)行完成后，可以選擇主動讓出，讓另一個協(xié)程運行在當(dāng)前線程之上。即協(xié)程并沒有增加線程的數(shù)量，而是在線程的基礎(chǔ)上通過分時復(fù)用的方式運行多個協(xié)程，還有關(guān)鍵一點是它的切換發(fā)生在用戶態(tài)，所有也不存在用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，代價更低

協(xié)程開銷

類比上面，我們只需要啟動 100 個線程，然后每個線程跑100個協(xié)程就可以完成上述同時處理10000個任務(wù)

那么協(xié)程在使用的過程中需要主要哪些內(nèi)容呢

剛說協(xié)程運行于線程之上，如果線程等待 IO 的時候阻塞了，這時候會出現(xiàn)什么情況？其實操作系統(tǒng)主要關(guān)心線程，協(xié)程調(diào)用阻塞IO的時候，操作系統(tǒng)會讓進程處于阻塞狀態(tài)，此時當(dāng)前的協(xié)程和綁定在線程之上的協(xié)程都會陷入阻塞而得不到調(diào)度，這樣就很難受了

因此協(xié)程中，不能調(diào)用導(dǎo)致線程阻塞的操作，即協(xié)程最好了異步 IO 結(jié)合起來才能發(fā)揮最大的威力

怎么處理在協(xié)程中調(diào)用阻塞IO的操作呢

比較簡答的思路是當(dāng)調(diào)用阻塞 IO 的時候，重新啟動一個線程去執(zhí)行這個操作，等執(zhí)行完成后，協(xié)程再去讀取結(jié)果，這是不是和多線程很像
將系統(tǒng) IO 進行封裝，改為異步調(diào)用的方式，此時需要大量的工作，所以需要寄生于編程語言的原生支持

所以對于計算密集型的任務(wù)不太建議使用協(xié)程，計算機密集型的任務(wù)需要大量的線程切換，線程切換涉及太多的資源交換