進程線程協程與併發並行

2018-01-23，我的筆記，不保證正確。

1、進程 Process：（並行運算，分佈式）

每個進程，均可以看做是一個完整的 Program，它有本身徹底獨立的內容。不與其餘進程直接共享數據。（一個工做(job)能夠由多個 process 完成，例如電腦上的qq/360就會有好幾個進程，這種程序可能會有一個守護進程，當主進程掛掉，它會自動重啓主進程。）

每一個進程能夠由多個線程組成。進程抽象由操做系統提供，Linux 是使用 fork 函數，Windows 是用 CreateProccess。

2、線程 Thread：（併發執行）

屬於同一個進程的線程之間，是共享一套工做內容的。這使得線程的建立和移除開銷很小，但同時也使編程變得複雜。

關於線程，分用戶級線程和內核級線程。不一樣的語言中，這兩種線程的對應關係也不盡相同。

• 多對一模型
  將多個用戶級線程映射到一個內核級線程，線程管理在用戶空間完成，這種模型下操做系統並不知道多線程的存在。Python 就是這種模型。
  • 優勢：線程管理是在用戶空間進行的，切換上下文開銷比較小，性能較高。
  • 缺點：當一個線程在使用內核服務時被阻塞，那麼整個進程都會被阻塞；多個線程不能並行地運行在多處理機上。
• 一對一模型
  將每一個用戶級線程映射到一個內核級線程。Java的線程就屬於這種模型。
  • 優勢：當一個線程被阻塞後，容許另外一個線程繼續執行，因此併發能力較強；能很好的利用到CPU的多核心。
  • 缺點：每建立一個用戶級線程都須要建立一個內核級線程與其對應，這樣建立線程的開銷比較大，會影響到應用程序的性能。而且切換線程要進出內核，代價比較大。
• 多對多模型
  將n個用戶級線程映射到m個內核級線程上，要求 m <= n。GO（1.5以後）的協程就屬於這種線程模型。
  • 特色：既克服了多對一模型的併發度不高的缺點，又克服了一對一模型的一個用戶進程佔用太多內核級線程，開銷太大的缺點。又擁有多對一模型和一對一模型各自的優勢。

3、協程 Coroutine（併發執行）

若是說線程是輕量級的進程，那麼協程就是輕量級的線程。線程跑在進程裏，協程就跑在線程裏。

優勢：

1. 協程是跑在同一個線程裏，而且是由程序自己來調度的。協程間的切換就是函數的調用，徹底沒有線程切換那麼大的開銷。
   • 線程的數量越多，協程的優點越大
2. 由於協程是程序調度的，它其實是串行運行的，所以不須要複雜的鎖機制來保證線程安全。
   • 在協程中控制共享資源不加鎖，只須要判斷狀態就行了。這免去了鎖機制帶來的開銷。

由於協程跑在單個線程內，所佔用的 CPU 資源有限，因此多協程並不能提高計算性能。不只如此，由於多了程序自己的調度開銷，計算密集型程序的性能反而會降低。

此外，協程代碼中決不能出現阻塞，不然整個線程都會停下來等待該操做完成，這就麻煩了。

協程適合用於 IO 密集型任務，可用於簡化異步 IO 的 callback hell。例如 Python 的 asyncio 就是用協程實現的。

併發並行

由此，又引出兩個名詞：

1. 併發（Concurrent）：多個任務交替進行。
2. 並行（Parallel）：多個任務同時進行。

一張圖說明二者的差異

Note：進程 和 線程 均可能是 併發 或 並行 的。關鍵看你程序的運行狀態。多核是並行的前提。併發則只要求交替執行，所以單核也沒問題。

同步異步

1. 同步：不一樣程序單元爲了完成某個任務，在執行過程當中需靠某種通訊方式以協調一致，稱這些程序單元是同步執行的。
   • 多線程編程中，全部修改共享變量的行爲，都必須加鎖，保證順序執行，保證同步。或者加原子鎖，保證該修改操做是原子的。
   • 同步意味着有序
2. 異步：爲完成某個任務，不一樣程序單元之間過程當中無需通訊協調，也能完成任務的方式。
   • 不相關的程序單元之間能夠是異步的。好比爬蟲下載網頁
   • 異步意味着無序

• 進程、線程和協程