UNIX(进程间通信)：06 深入理解进程，线程和协程

一、进程

  进程，直观点说，保存在硬盘上的程序运行以后，会在内存空间里形成一个独立的内存体，这个内存体有自己独立的地址空间，有自己的堆，上级挂靠单位是操作系统。操作系统会以进程为单位，分配系统资源（CPU时间片、内存等资源），进程是资源分配的最小单位。

【进程间通信（IPC）】：

• 管道(Pipe)、命名管道(FIFO)、消息队列(Message Queue) 、信号量(Semaphore) 、共享内存（Shared Memory）；套接字（Socket）。

二、线程

  线程，有时被称为轻量级进程(Lightweight Process，LWP），是操作系统调度（CPU调度）执行的最小单位。

三、进程和线程的区别与联系

【区别】：

• 调度：线程作为调度和分配的基本单位，进程作为拥有资源的基本单位；
• 并发性：不仅进程之间可以并发执行，同一个进程的多个线程之间也可并发执行；
• 拥有资源：进程是拥有资源的一个独立单位，线程不拥有系统资源，但可以访问隶属于进程的资源。进程所维护的是程序所包含的资源（静态资源）， 如：地址空间，打开的文件句柄集，文件系统状态，信号处理handler等；线程所维护的运行相关的资源（动态资源），如：运行栈，调度相关的控制信息，待处理的信号集等；
• 系统开销：在创建或撤消进程时，由于系统都要为之分配和回收资源，导致系统的开销明显大于创建或撤消线程时的开销。但是进程有独立的地址空间，一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其它进程产生影响，而线程只是一个进程中的不同执行路径。线程有自己的堆栈和局部变量，但线程之间没有单独的地址空间，一个进程死掉就等于所有的线程死掉，所以多进程的程序要比多线程的程序健壮，但在进程切换时，耗费资源较大，效率要差一些。
• 上下文切换：在某一时刻，一核CPU只能执行一个进程。相当于内核只能让一核CPU为一个机器人提供驱动力让它动起来(1:1)，多核CPU可以同时为多个机器人提供驱动力。
• 但是操作系统上有很多机器人在干活，所以内核要控制CPU不断的为不同机器人来回提供驱动力，这是进程切换(这是站在内核的角度上看的，也叫上下文切换)
• 为了让你感觉机器人没有停止工作，内核控制只给每个机器人一点点的CPU时间片。这就相当于转起来的电扇，你感觉没有间隙，其实是有的，只是间隙时间太短，人眼难辨。现在可以脑部一下，一大堆的机器人在你面前完全不停的跳着鬼步舞....
• 因为CPU要切换给不同的机器人提供驱动力，所以每次切换之前的机器人干活到了哪里以及它的状态得记录下来，这是上下文保留(保护现场)
• 保护现场是必要的额外的工作，频繁上下文切换会浪费CPU在这些额外工作上

【联系】：

• 一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程；
• 资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源；
• 处理机分给线程，即真正在处理机上运行的是线程；
• 线程在执行过程中，需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。

四、一个形象的例子解释进程和线程的区别

  这副图是一个双向多车道的道路图，假如我们把整条道路看成是一个“进程”的话，那么图中由白色虚线分隔开来的各个车道就是进程中的各个“线程”了。

• 这些线程(车道)共享了进程(道路)的公共资源(土地资源)。
• 这些线程(车道)必须依赖于进程(道路)，也就是说，线程不能脱离于进程而存在(就像离开了道路，车道也就没有意义了)。
• 这些线程(车道)之间可以并发执行(各个车道你走你的，我走我的)，也可以互相同步(某些车道在交通灯亮时禁止继续前行或转弯，必须等待其它车道的车辆通行完毕)。
• 这些线程(车道)之间依靠代码逻辑(交通灯)来控制运行，一旦代码逻辑控制有误(死锁，多个线程同时竞争唯一资源)，那么线程将陷入混乱，无序之中。
• 这些线程(车道)之间谁先运行是未知的，只有在线程刚好被分配到CPU时间片(交通灯变化)的那一刻才能知道。

五、进程/线程之间的亲缘性

  亲缘性的意思是进程/线程只在某个cpu上运行（多核系统），比如：

BOOL WINAPI SetProcessAffinityMask(
  _In_ HANDLE    hProcess,
  _In_ DWORD_PTR dwProcessAffinityMask
);
/*
dwProcessAffinityMask 如果是 0 , 代表当前进程只在cpu0 上工作;
如果是 0x03 , 转为2进制是 00000011 . 代表只在 cpu0 或 cpu1上工作;
*/

  使用CPU亲缘性的好处：设置CPU亲缘性是为了防止进程/线程在CPU的核上频繁切换，从而避免因切换带来的CPU的L1/L2 cache失效，cache失效会降低程序的性能。

六、协程

  协程，是一种比线程更加轻量级的存在，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。

  子程序，或者称为函数，在所有语言中都是层级调用，比如A调用B，B在执行过程中又调用了C，C执行完毕返回，B执行完毕返回，最后是A执行完毕。所以子程序调用是通过栈实现的，一个线程就是执行一个子程序。子程序调用总是一个入口，一次返回，调用顺序是明确的。而协程的调用和子程序不同。

  协程在子程序内部是可中断的，然后转而执行别的子程序，在适当的时候再返回来接着执行。

def A():
    print '1'
    print '2'
    print '3'

def B():
    print 'x'
    print 'y'
    print 'z'

  假设由协程执行，在执行A的过程中，可以随时中断，去执行B，B也可能在执行过程中中断再去执行A，结果可能是：1 2 x y 3 z。

  协程的特点在于是一个线程执行，那和多线程比，协程有何优势？

• 极高的执行效率：因为子程序切换不是线程切换，而是由程序自身控制，因此，没有线程切换的开销，和多线程比，线程数量越多，协程的性能优势就越明显；
• 不需要多线程的锁机制：因为只有一个线程，也不存在同时写变量冲突，在协程中控制共享资源不加锁，只需要判断状态就好了，所以执行效率比多线程高很多。