进程、线程以及Goroutine协程的区别

进程、线程、协程实际上都是为并发而生。

但是他们的各自的模样是完全不一致的,下面我们来分析一下他们各自的特点和关系。

本文不重点介绍什么是进程和线程,而是提炼进程、线程、协程干货。且是基于 Linux 下的进程、线程解释

一、进程内存

进程,可执行程序运行中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(Linux 会给每个进程分配一个虚拟内存空间 32 位操作系统为 4G, 64 位为很多 T),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

二、线程内存

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

多个线程共同“寄生”在一个进程上,除了拥有各自的栈空间,其他的内存空间都是一起共享。所以由于这个特性,使得线程之间的内存关联性很大,互相通信就很简单(堆区、全局区等数据都共享,需要加锁机制即可完成同步通信),但是同时也让线程之间生命体联系较大,比如一个线程出问题,到底进程问题,也就导致了其他线程问题。

三、执行单元

对于 Linux 来讲,不区分进程还是线程,他们都是一个单独的执行单位,CPU 一视同仁,均分配时间片。

所以,如果一个进程想更大程度的与其他进程抢占 CPU 的资源,那么多开线程是一个好的办法。

如上图,进程 A 没有开线程,那么默认就是 1个线程,对于内核来讲,它只有 1 个 执行单元,进程 B 开了 3个线程,那么在内核中,该进程就占有 3 个 执行单元。CPU 的视野是只能看见内核的,它不知晓谁是进程和谁是线程,谁和谁是一家人。时间片轮询平均调度分配。那么进程 B 拥有的 3 个单元就有了资源供给的优势。

四、切换问题与协程

我们通过上述的描述,可以知道,线程越多,进程利用(或者)抢占的 CPU 资源就越高。

那么是不是线程可以无限制的多呢?

答案当然不是的,我们知道,当我们 CPU 在内核态切换一个 执行单元 的时候,会有一个时间成本和性能开销

其中性能开销至少会有两个开销

  • 切换内核栈
  • 切换硬件上下文

这两个切换,我们没必要太深入研究,可以理解为他所带来的后果和影响是


  • 保存寄存器中的内容

    将之前执行流程的状态保存。

  • CPU 高速缓存失效

    页表查找是一个很慢的过程,因此通常使用 Cache 来缓存常用的地址映射,这样可以加速页表查找,这个 cache 就是 TLB.当进程切换后页表也要进行切换,页表切换后 TLB 就失效了,cache 失效导致命中率降低,那么虚拟地址转换为物理地址就会变慢,表现出来的就是程序运行会变慢


综上,我们不能够大量的开辟,因为 线程执行流程 越多,CPU 在切换的时间成本越大。很多编程语言就想了办法,既然我们不能左右和优化 CPU 切换线程的开销,那么,我们能否让 CPU 内核态不切换 执行单元, 而是在用户态切换执行流程呢?

很显然,我们是没权限修改操作系统内核机制的,那么只能在用户态再来一个 伪执行单元,那么就是 协程 了。

五、协程的切换成本

协程切换比线程切换快主要有两点:

(1)协程切换完全在用户空间进行 线程切换涉及特权模式切换,需要在内核空间完成

(2)协程切换相比线程切换做的事情更少 ,线程需要有内核和用户态的切换,系统调用过程。

协程切换成本:

协程切换非常简单,就是把当前协程的 CPU 寄存器状态保存起来,然后将需要切换进来的协程的 CPU 寄存器状态加载的 CPU 寄存器上 就 ok 了。而且完全在用户态进行 ,一般来说一次协程上下文切换最多就是几十 ns 这个量级。

线程切换成本:

系统内核调度的对象是线程,因为线程是调度的基本单元(进程是资源拥有的基本单元,进程的切换需要做的事情更多,这里占时不讨论进程切换),而线程的调度只有拥有最高权限的内核空间才可以完成 ,所以线程的切换涉及到用户空间和内核空间的切换 ,也就是特权模式切换,然后需要操作系统调度模块完成线程调度(task *struct),*而且除了和协程相同基本的 CPU 上下文,还有线程私有的栈和寄存器等,说白了就是上下文比协程多一些,其实简单比较下 task_strcut 和 任何一个协程库的 coroutine 的 struct 结构体大小就能明显区分出来。而且特权模式切换的开销确实不小,随便搜一组测试数据 [3],随便算算都比协程切换开销大很多。

进程占用多少内存

4g

线程占用多少内存

线程跟不同的操作系统版本有有差异

$ulimit -s
8192

单位 kb

但线程基本都是维持 Mb 的量级单位,一般是 4~64Mb 不等, 多数维持约 10M 上下

协程占用多少内存

测试环境

$ more /proc/cpuinfo | grep "model name"
model name  : Intel(R) Core(TM) i7-5775R CPU @ 3.30GHz
model name  : Intel(R) Core(TM) i7-5775R CPU @ 3.30GHz

(2个CPU )

$ grep MemTotal /proc/meminfo
MemTotal:        2017516 kB

(2G内存)

$ getconf LONG_BIT
64

(64位操作系统)

$ uname -a
Linux ubuntu 4.15.0-91-generic #92-Ubuntu SMP Fri Feb 28 11:09:48 UTC 2020 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

测试程序

package main

import (

    "time"
)

func main() {

    for i := 0; i < 200000; i++ {

        go func() {

            time.Sleep(5 * time.Second)

        }()

    }

    time.Sleep(10 * time.Second)
}

程序运行前

top - 00:16:24 up  7:08,  1 user,  load average: 0.08, 0.03, 0.01
任务: 288 total,   1 running, 218 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu0  :  0.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni,100.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
%Cpu1  :  0.3 us,  0.3 sy,  0.0 ni, 99.3 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
KiB Mem :  2017516 total,   593836 free,  1163524 used,   260156 buff/cache
KiB Swap:   969960 total,   574184 free,   395776 used.   679520 avail Mem

free 的 mem 为 1163524,

程序运行中

top - 00:17:12 up  7:09,  1 user,  load average: 0.04, 0.02, 0.00
任务: 290 total,   1 running, 220 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu0  :  4.0 us,  1.0 sy,  0.0 ni, 95.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
%Cpu1  :  8.8 us,  1.4 sy,  0.0 ni, 89.9 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
KiB Mem :  2017516 total,    89048 free,  1675844 used,   252624 buff/cache
KiB Swap:   969960 total,   563688 free,   406272 used.   168812 avail Mem

free 的 mem 为 1675844,

所以 20 万个协程占用了约 50 万 KB****平均一个协程占用约 2.5KB


Golang

本文链接:

https://coolhu.com/Goroutine.html

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