面試官：什麼是程序、執行緒、協程？

在面試中，經常會問到程序、執行緒、協程的問題。本節主要講解程序、執行緒、協程的概念和之間的聯絡。

1。程序

程序是一種抽象的概念，沒有統一的標準定義。程序是作業系統分配資源最小單位，程序使用獨立的資料空間，由程式，資料和程式控制塊三部分組成，程序之間的記憶體是相互隔離的，是具有獨立功能的程式一次動態執行的過程。

程式，是控制程序的指令集。

資料，程序執行時所需要的資料和工作區。

程式控制塊（Program Control Block，簡稱PCB），包含程序的描述資訊和控制資訊，是程序存在的唯一標誌。

同樣程序間也是可以通訊（IPC）的，透過管道（Pipe）、命名管道（FIFO）、訊息佇列（Message Queue） 、訊號量（Semaphore） 、共享記憶體（Shared Memory）、套接字（Socket）等方式進行通訊。同樣程序擁有自己的狀態，這個不是本課程的重點，不做詳細講解。

大名鼎鼎的反向代理工具Nginx，實現高併發除了採用多路複用IO，還有透過多程序，而不是透過多執行緒，由於程序間記憶體都是獨立的，所以不用擔心併發問題。每個節點有一個master程序，fork出多個worker子程序，master程序負責管理，把指令傳遞給worker程序處理。worker程序數一般是cpu的核數。

2。執行緒

執行緒是處理器排程和分派的基本單位，是程式執行的最小單位，執行緒共享程序的資料空間，由執行緒ID、當前指令指標PC、暫存器和堆疊組成。程序中包含一個和多個執行緒，程序中執行緒記憶體是可見的，不同程序間的執行緒記憶體不可見。

2。1 任務排程

大部分作業系統的任務排程是採用時間片輪轉的搶佔式排程方式。那麼什麼是CPU時間片呢？

CPU時間片是分配給執行緒的執行時間，Linux一般是5~800ms，Windows一般20ms。

在同一個程序中，一個執行緒執行完一個時間片後，作業系統核心透過硬體的計數器中斷處理器，讓執行緒強制暫停，將該執行緒的暫存器存入記憶體，等待下次排程。

同理，下個執行緒怎麼開始執行呢？作業系統核心透過檢視執行緒列表決定執行哪個執行緒，從記憶體中恢復該執行緒的暫存器，恢復執行。這樣就完成了執行緒的輪流執行。

執行緒和程序類似，也有自己的狀態，正在執行的執行緒叫執行狀態，暫停執行的叫做就緒狀態。

CPU透過時間片分配演算法不斷的迴圈任務，每次執行緒切換都會伴隨著一次執行緒上下文切換。執行緒上下文切換包含哪些操作呢？首先，切換前會儲存上個執行緒的任務狀態，便於下次切換會該執行緒，然後加在新的執行緒狀態。這樣執行緒從儲存到再載入的過程就是一次上下文切換。

好比程式設計師寫程式碼，從一個分支切換到另外一個分支，需要check in上一個分支的程式碼，然後check out新分支的程式碼。

執行緒上下文切換的代價很大，應該儘量避免。

3。協程

程序是重量級的物件，後來發明了執行緒，資源開銷更小。但是執行緒也是一個重量級的物件，頻繁的建立和、銷燬、上下文切換成本都很高。

目前解決方案是協程（Coroutine），也被稱為輕量級的執行緒。協程相比執行緒有如下區別：

佔用記憶體大小不同。執行緒預設的stack一般是1M，協程一般是1k。

排程者不同。執行緒是透過作業系統排程，是核心態。協程是使用者自己排程，是使用者態，減少上下文切換，提高了效率。

協程是執行在同一個執行緒上，避免了競爭關係而使用鎖。

很多開發語言都支援協程，比如Golang、Python、Lua、Kotlin等。很遺憾，Java不支援，Java有支援協程的框架實現，比如quasar和kotlin。

3。1 協程的應用場景

作業系統並不知道協程的存在，協程只是使用者態的任務。

現在我們有促銷的場景，假如有10000個請求過來，我們為每個請求建立一個執行緒去執行，包括查詢扣庫存、扣款等，假如每個執行緒佔用4M大小，10000執行緒就是39G的記憶體。在執行的過程中，CPU透過時間片分配演算法，使執行緒不斷的切換。出現了兩個問題，一是執行緒的佔用非常多的記憶體，二是執行緒上下文切換佔用了大量的系統時間。

現在有了協程，剛好解決以上兩個問題。協程執行線上程上，一個協程執行完畢後，主動讓出，讓另一個協程去執行。避免了建立大量的執行緒和頻繁的執行緒上下文切換。

協程並沒有增加執行緒數量，只是在執行緒的基礎之上透過分時複用的方式執行多個協程

，而且協程的切換在使用者態完成，切換的代價比執行緒從使用者態到核心態的代價小很多。

那麼什麼場景不適合協程呢？

1。容易導致執行緒阻塞的操作。協程是執行線上程上，作業系統不知道協程的存在，當執行緒阻塞時，協程同樣阻塞不能執行。比如阻塞IO。同理，協程適合非同步IO。

2。協程不適合計算密集型的任務，計算密集型的任務本身不需要大量的執行緒切換，因此協程的作用也十分有限，反而還增加了協程切換的開銷。

總結：

從重量級上依次從大到小，程序 > 執行緒 > 管程。

程序中包含多個執行緒，管程是執行線上程中。

程序是作業系統資源分配的最小單位，執行緒是CPU排程的基本單位。

執行緒建立、銷燬、上下文切換的代價很大，可以用管程的方案解決。

協程屬於使用者態，作業系統並不知道協程的存在。

協程不適合容易導致執行緒阻塞的任務和計算密集型任務，比如阻塞IO，比如非同步IO，才能發揮很大的作用。