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