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漫画:什么是协程?

原标题:漫画:什么是协程?

来自:程序员小灰(微信号:chengxuyuanxiaohui)

————— 第二天 —————

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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。

进程是什么呢?

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。

线程又是什么呢?

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。

如何用java语言实现生产者/消费者模式呢?

让我们来看一看代码:

public class ProducerConsumerTest {

  1. public static void main(String args[]) {
  2. final Queue<Integer> sharedQueue = new LinkedList();
  3. Thread producer = new Producer(sharedQueue);
  4. Thread consumer = new Consumer(sharedQueue);
  5. producer.start();
  6. consumer.start();
  7. }

}

class Producer extends Thread {

  1. private static final int MAX_QUEUE_SIZE = 5;
  2. private final Queue sharedQueue;
  3. public Producer(Queue sharedQueue) {
  4. super();
  5. this.sharedQueue = sharedQueue;
  6. }
  7. @Override
  8. public void run() {
  9. for (int i = 0; i < 100; i++) {
  10. synchronized (sharedQueue) {
  11. while (sharedQueue.size() >= MAX_QUEUE_SIZE) {
  12. System.out.println("队列满了,等待消费");
  13. try {
  14. sharedQueue.wait();
  15. } catch (InterruptedException e) {
  16. e.printStackTrace();
  17. }
  18. }
  19. sharedQueue.add(i);
  20. System.out.println("进行生产 : " + i);
  21. sharedQueue.notify();
  22. }
  23. }
  24. }

}

class Consumer extends Thread {private final Queue sharedQueue;

  1. public Consumer(Queue sharedQueue) {
  2. super();
  3. this.sharedQueue = sharedQueue;
  4. }
  5. @Override
  6. public void run() {
  7. while(true) {
  8. synchronized (sharedQueue) {
  9. while (sharedQueue.size() == 0) {
  10. try {
  11. System.out.println("队列空了,等待生产");
  12. sharedQueue.wait();
  13. } catch (InterruptedException e) {
  14. e.printStackTrace();
  15. }
  16. }
  17. int number = sharedQueue.poll();
  18. System.out.println("进行消费 : " + number );
  19. sharedQueue.notify();
  20. }
  21. }
  22. }

}

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:

https://github.com/kilim/kilim

几点补充:

1.关于协程的概念,小灰也仅仅是知道一些皮毛,希望小伙伴们多多指正。

2.本漫画纯属娱乐,还请大家尽量珍惜当下的工作,切勿模仿小灰的行为哦。

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