进程、线程、协程

为了满足多任务需求，人们发明了三套执行体：进程、线程、协程，以及各种执行体之间的通信机制。

分时系统

操作系统需要执行多任务模式，有两个方法：

• 提升CPU颗数
• 提升CPU核心数

对于物理硬件来说，我们通常希望尽可能设备体积尽可能小，因此现代计算机通常CPU颗数不多，但是核数较多

如果是单个CPU的单核要实现多任务，则需要需要操作系统切分多个时间片进行分时处理

执行体

分时系统在执行任务时需要将当前任务挂起，恢复另一个任务并移交执行权限，这个过程有几个问题需要解决：

• 任务是什么？由什么构成？
• 任务状态有哪些，任务是怎么被保存和恢复的？
• 什么时刻需要进行任务切换？

操作系统层面提供了两种任务机制，进程和线程，任务至少包含两个要素：

• 下一个执行位置
• 自身状态

保存这两个关键信息的介质是：

• 寄存器：上下文切换时，保存当前时刻寄存器的值，将寄存器值置为下一个任务挂起时的状态，继而开始执行下一个任务
• RAM（内存）：每个进程都有自己的内存空间，任务切换时需要找到自己的虚拟内存映射表，映射表同样是从寄存器读取

总结：

• 上下文 = 寄存器中的值
• 上下文切换 = 寄存器值保存、恢复过程

进程

进程的出现源于计算机同时运行多个软件的需求。

1、系统提供的一种任务隔离单元，不同进程之间资源相互隔离

2、fork模式是一种进程间通信的特殊方式：子进程复制副进程，之后父子进程各干各的事

3、进程的同步、互斥、通信

• 竞态条件：不同执行体需要同时访问操作同一资源时，执行结果依赖于操作时序
• 互斥、临界区：将一段代码定义为临界区，阻止不同执行体同时进入临界区，这种行为叫做互斥
• 信号量：执行体进入临界区之前获取一个令牌，成功则进入，否则等待其他执行体释放令牌
• 互斥量（锁）：mutex互斥体，lock -> do something -> unlock

线程

在同一个软件内同样存在多任务需求。

• 共享进程资源空间，彼此之间相互信任
• 早期Linux系统不存在线程，因此进程需要承担一部分线程的功能，因此可能才有了fork模式

协程

对于海量并发场景，直接使用系统多线程会存在这些成本问题：

1、时间成本

• 执行体切换（寄存器保存和恢复），腾挪余地有限
• 执行体调度的开销，成本随线程数量线性升高
• 执行体之间的同步和互斥成本

2、空间成本

• 执行体状态保存
• 执行体堆栈
• 线程局部存储（TLS）

为了解决这些问题，以golang为代表的编程语言在用户态实现了协程机制：

• 堆栈初始大小仅4k，可以按需扩容，最高可达百万并发级别
• 提供了channel的同步和互斥机制
• 实现了同步IO+线程池的包装（GMP），将大量并发包装到了有限数量的线程中

通信机制

这里整理一下广义的进程通信机制。