一文講透 “進程、線程、協(xié)程”
本文從操作系統(tǒng)原理出發(fā)結(jié)合代碼實踐講解了以下內(nèi)容：
- 什么是進程，線程和協(xié)程?
- 它們之間的關(guān)系是什么?
- 為什么說Python中的多線程是偽多線程?
- 不同的應(yīng)用場景該如何選擇技術(shù)方案?
- ...
什么是進程
進程-操作系統(tǒng)提供的抽象概念，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的基本單位，是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。程序是指令、數(shù)據(jù)及其組織形式的描述，進程是程序的實體。程序本身是沒有生命周期的，它只是存在磁盤上的一些指令,程序一旦運行就是進程。
當程序需要運行時，操作系統(tǒng)將代碼和所有靜態(tài)數(shù)據(jù)記載到內(nèi)存和進程的地址空間(每個進程都擁有唯一的地址空間，見下圖所示)中，通過創(chuàng)建和初始化棧(局部變量，函數(shù)參數(shù)和返回地址)、分配堆內(nèi)存以及與IO相關(guān)的任務(wù)，當前期準備工作完成，啟動程序，OS將CPU的控制權(quán)轉(zhuǎn)移到新創(chuàng)建的進程，進程開始運行。
操作系統(tǒng)對進程的控制和管理通過PCB(Processing Control Block)，PCB通常是系統(tǒng)內(nèi)存占用區(qū)中的一個連續(xù)存區(qū)，它存放著操作系統(tǒng)用于描述進程情況及控制進程運行所需的全部信息(進程標識號,進程狀態(tài),進程優(yōu)先級,文件系統(tǒng)指針以及各個寄存器的內(nèi)容等)，進程的PCB是系統(tǒng)感知進程的唯一實體。
一個進程至少具有5種基本狀態(tài)：初始態(tài)、執(zhí)行狀態(tài)、等待(阻塞)狀態(tài)、就緒狀態(tài)、終止狀態(tài)
- 初始狀態(tài)：進程剛被創(chuàng)建，由于其他進程正占有CPU所以得不到執(zhí)行，只能處于初始狀態(tài)。
- 執(zhí)行狀態(tài)：任意時刻處于執(zhí)行狀態(tài)的進程只能有一個。
- 就緒狀態(tài)：只有處于就緒狀態(tài)的經(jīng)過調(diào)度才能到執(zhí)行狀態(tài)
- 等待狀態(tài)：進程等待某件事件完成
- 停止狀態(tài)：進程結(jié)束
進程間的切換
無論是在多核還是單核系統(tǒng)中，一個CPU看上去都像是在并發(fā)的執(zhí)行多個進程，這是通過處理器在進程間切換來實現(xiàn)的。
操作系統(tǒng)對把CPU控制權(quán)在不同進程之間交換執(zhí)行的機制成為上下文切換(context switch)，即保存當前進程的上下文，恢復新進程的上下文，然后將CPU控制權(quán)轉(zhuǎn)移到新進程，新進程就會從上次停止的地方開始。因此，進程是輪流使用CPU的，CPU被若干進程共享，使用某種調(diào)度算法來決定何時停止一個進程，并轉(zhuǎn)而為另一個進程提供服務(wù)。
- 單核CPU雙進程的情況
進程直接特定的機制和遇到I/O中斷的情況下，進行上下文切換，輪流使用CPU資源
- 雙核CPU雙進程的情況
每一個進程獨占一個CPU核心資源，在處理I/O請求的時候，CPU處于阻塞狀態(tài)
進程間數(shù)據(jù)共享
系統(tǒng)中的進程與其他進程共享CPU和主存資源，為了更好的管理主存，現(xiàn)在系統(tǒng)提供了一種對主存的抽象概念，即為虛擬存儲器(VM)。它是一個抽象的概念，它為每一個進程提供了一個假象，即每個進程都在獨占地使用主存。
虛擬存儲器主要提供了三個能力：
- 將主存看成是一個存儲在磁盤上的高速緩存，在主存中只保存活動區(qū)域，并根據(jù)需要在磁盤和主存之間來回傳送數(shù)據(jù)，通過這種方式，更高效地使用主存
- 為每個進程提供了一致的地址空間，從而簡化了存儲器管理
- 保護了每個進程的地址空間不被其他進程破壞
由于進程擁有自己獨占的虛擬地址空間，CPU通過地址翻譯將虛擬地址轉(zhuǎn)換成真實的物理地址，每個進程只能訪問自己的地址空間。因此，在沒有其他機制(進程間通信)的輔助下，進程之間是無法共享數(shù)據(jù)的
- 以python中multiprocessing為例
- import multiprocessing
- import threading
- import time
- n = 0
- def count(num):
- global n
- for i in range(100000):
- n += i
- print("Process {0}:n={1},id(n)={2}".format(num, n, id(n)))
- if __name__ == '__main__':
- start_time = time.time()
- process = list()
- for i in range(5):
- p = multiprocessing.Process(target=count, args=(i,)) # 測試多進程使用
- # p = threading.Thread(target=count, args=(i,)) # 測試多線程使用
- process.append(p)
- for p in process:
- p.start()
- for p in process:
- p.join()
- print("Main:n={0},id(n)={1}".format(n, id(n)))
- end_time = time.time()
- print("Total time:{0}".format(end_time - start_time))
- 結(jié)果
- Process 1:n=4999950000,id(n)=139854202072440
- Process 0:n=4999950000,id(n)=139854329146064
- Process 2:n=4999950000,id(n)=139854202072400
- Process 4:n=4999950000,id(n)=139854201618960
- Process 3:n=4999950000,id(n)=139854202069320
- Main:n=0,id(n)=9462720
- Total time:0.03138256072998047
變量n在進程p{0,1,2,3,4}和主進程(main)中均擁有唯一的地址空間
什么是線程
線程-也是操作系統(tǒng)提供的抽象概念，是程序執(zhí)行中一個單一的順序控制流程，是程序執(zhí)行流的最小單元，是處理器調(diào)度和分派的基本單位。一個進程可以有一個或多個線程，同一進程中的多個線程將共享該進程中的全部系統(tǒng)資源，如虛擬地址空間，文件描述符和信號處理等等。但同一進程中的多個線程有各自的調(diào)用棧和線程本地存儲(如下圖所示)。
系統(tǒng)利用PCB來完成對進程的控制和管理。同樣，系統(tǒng)為線程分配一個線程控制塊TCB(Thread Control Block),將所有用于控制和管理線程的信息記錄在線程的控制塊中，TCB中通常包括：
- 線程標志符
- 一組寄存器
- 線程運行狀態(tài)
- 優(yōu)先級
- 線程專有存儲區(qū)
- 信號屏蔽
和進程一樣，線程同樣有五種狀態(tài)：初始態(tài)、執(zhí)行狀態(tài)、等待(阻塞)狀態(tài)、就緒狀態(tài)和終止狀態(tài),線程之間的切換和進程一樣也需要上下文切換，這里不再贅述。
進程和線程之間有許多相似的地方，那它們之間到底有什么區(qū)別呢?
進程 VS 線程
- 進程是資源的分配和調(diào)度的獨立單元。進程擁有完整的虛擬地址空間，當發(fā)生進程切換時，不同的進程擁有不同的虛擬地址空間。而同一進程的多個線程是可以共享同一地址空間
- 線程是CPU調(diào)度的基本單元，一個進程包含若干線程。
- 線程比進程小，基本上不擁有系統(tǒng)資源。線程的創(chuàng)建和銷毀所需要的時間比進程小很多
- 由于線程之間能夠共享地址空間，因此，需要考慮同步和互斥操作
- 一個線程的意外終止會影像整個進程的正常運行，但是一個進程的意外終止不會影像其他的進程的運行。因此，多進程程序安全性更高。
總之，多進程程序安全性高，進程切換開銷大，效率低;多線程程序維護成本高，線程切換開銷小，效率高。(python的多線程是偽多線程，下文中將詳細介紹)
什么是協(xié)程
協(xié)程(Coroutine，又稱微線程)是一種比線程更加輕量級的存在，協(xié)程不是被操作系統(tǒng)內(nèi)核所管理，而完全是由程序所控制。協(xié)程與線程以及進程的關(guān)系見下圖所示。
- 協(xié)程可以比作子程序，但執(zhí)行過程中，子程序內(nèi)部可中斷，然后轉(zhuǎn)而執(zhí)行別的子程序，在適當?shù)臅r候再返回來接著執(zhí)行。協(xié)程之間的切換不需要涉及任何系統(tǒng)調(diào)用或任何阻塞調(diào)用
- 協(xié)程只在一個線程中執(zhí)行，是子程序之間的切換，發(fā)生在用戶態(tài)上。而且，線程的阻塞狀態(tài)是由操作系統(tǒng)內(nèi)核來完成，發(fā)生在內(nèi)核態(tài)上，因此協(xié)程相比線程節(jié)省線程創(chuàng)建和切換的開銷
- 協(xié)程中不存在同時寫變量沖突，因此，也就不需要用來守衛(wèi)關(guān)鍵區(qū)塊的同步性原語，比如互斥鎖、信號量等，并且不需要來自操作系統(tǒng)的支持。
協(xié)程適用于IO阻塞且需要大量并發(fā)的場景，當發(fā)生IO阻塞，由協(xié)程的調(diào)度器進行調(diào)度，通過將數(shù)據(jù)流yield掉，并且記錄當前棧上的數(shù)據(jù)，阻塞完后立刻再通過線程恢復棧，并把阻塞的結(jié)果放到這個線程上去運行。
下面，將針對在不同的應(yīng)用場景中如何選擇使用Python中的進程，線程，協(xié)程進行分析。
如何選擇?
在針對不同的場景對比三者的區(qū)別之前，首先需要介紹一下python的多線程(一直被程序員所詬病，認為是"假的"多線程)。
那為什么認為Python中的多線程是“偽”多線程呢?
更換上面multiprocessing示例中， p=multiprocessing.Process(target=count,args=(i,))為 p=threading.Thread(target=count,args=(i,)),其他照舊，運行結(jié)果如下：
為了減少代碼冗余和文章篇幅，命名和打印不規(guī)則問題請忽略
- Process 0:n=5756690257,id(n)=140103573185600
- Process 2:n=10819616173,id(n)=140103573185600
- Process 1:n=11829507727,id(n)=140103573185600
- Process 4:n=17812587459,id(n)=140103573072912
- Process 3:n=14424763612,id(n)=140103573185600
- Main:n=17812587459,id(n)=140103573072912
- Total time:0.1056210994720459
- n是全局變量，Main的打印結(jié)果與線程相等，證明了線程之間是數(shù)據(jù)共享
但是，為什么多線程運行時間比多進程還要長?這與我們上面所說(線程的開銷<<進程的開銷)的嚴重不相符啊。這就是輪到Cpython(python默認的解釋器)中GIL(Global Interpreter Lock,全局解釋鎖)登場了。
什么是GIL
GIL來源于Python設(shè)計之初的考慮，為了數(shù)據(jù)安全(由于內(nèi)存管理機制中采用引用計數(shù))所做的決定。某個線程想要執(zhí)行，必須先拿到 GIL。因此，可以把 GIL 看作是“通行證”,并且在一個 Python進程中，GIL 只有一個,拿不到通行證的線程,就不允許進入 CPU 執(zhí)行。
Cpython解釋器在內(nèi)存管理中采用引用計數(shù)，當對象的引用次數(shù)為0時，會將對象當作垃圾進行回收。設(shè)想這樣一種場景：
一個進程中含有兩個線程，分別為線程0和線程1，兩個線程全都引用對象a。當兩個線程同時對a發(fā)生引用(并未修改，不需要使用同步性原語)，就會發(fā)生同時修改對象a的引用計數(shù)器，造成計數(shù)器引用少于實質(zhì)性的引用，當進行垃圾回收時，造成錯誤異常。因此，需要一把全局鎖(即為GIL)來保證對象引用計數(shù)的正確性和安全性。
無論是單核還是多核,一個進程永遠只能同時執(zhí)行一個線程(拿到 GIL 的線程才能執(zhí)行，如下圖所示)，這就是為什么在多核CPU上，Python 的多線程效率并不高的根本原因。
那是不是在Python中遇到并發(fā)的需求就使用多進程就萬事大吉了呢?其實不然，軟件工程中有一句名言：沒有銀彈!
何時用?
常見的應(yīng)用場景不外乎三種：
- CPU密集型:程序需要占用CPU進行大量的運算和數(shù)據(jù)處理;
- I/O密集型:程序中需要頻繁的進行I/O操作;例如網(wǎng)絡(luò)中socket數(shù)據(jù)傳輸和讀取等;
- CPU密集+I/O密集：以上兩種的結(jié)合
CPU密集型的情況可以對比以上multiprocessing和threading的例子，多進程的性能 > 多線程的性能。
下面主要解釋一下I/O密集型的情況。與I/O設(shè)備交互，目前最常用的解決方案就是DMA。
什么是DMA
DMA(Direct Memory Access)是系統(tǒng)中的一個特殊設(shè)備，它可以協(xié)調(diào)完成內(nèi)存到設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，中間過程不需要CPU介入。
以文件寫入為例：
- 進程p1發(fā)出數(shù)據(jù)寫入磁盤文件的請求
- CPU處理寫入請求，通過編程告訴DMA引擎數(shù)據(jù)在內(nèi)存的位置，要寫入數(shù)據(jù)的大小以及目標設(shè)備等信息
- CPU處理其他進程p2的請求，DMA負責將內(nèi)存數(shù)據(jù)寫入到設(shè)備中
- DMA完成數(shù)據(jù)傳輸，中斷CPU
- CPU從p2上下文切換到p1,繼續(xù)執(zhí)行p1
Python多線程的表現(xiàn)(I/O密集型)
- 線程Thread0首先執(zhí)行，線程Thread1等待(GIL的存在)
- Thread0收到I/O請求，將請求轉(zhuǎn)發(fā)給DMA,DMA執(zhí)行請求
- Thread1占用CPU資源，繼續(xù)執(zhí)行
- CPU收到DMA的中斷請求，切換到Thread0繼續(xù)執(zhí)行
與進程的執(zhí)行模式相似，彌補了GIL帶來的不足，又由于線程的開銷遠遠小于進程的開銷，因此，在IO密集型場景中，多線程的性能更高
實踐是檢驗真理的唯一標準，下面將針對I/O密集型場景進行測試。
測試
- 執(zhí)行代碼
- import multiprocessing
- import threading
- import time
- def count(num):
- time.sleep(1) ## 模擬IO操作
- print("Process {0} End".format(num))
- if __name__ == '__main__':
- start_time = time.time()
- process = list()
- for i in range(5):
- p = multiprocessing.Process(target=count, args=(i,))
- # p = threading.Thread(target=count, args=(i,))
- process.append(p)
- for p in process:
- p.start()
- for p in process:
- p.join()
- end_time = time.time()
- print("Total time:{0}".format(end_time - start_time))
- 結(jié)果
- ## 多進程
- Process 0 End
- Process 3 End
- Process 4 End
- Process 2 End
- Process 1 End
- Total time:1.383193016052246
- ## 多線程
- Process 0 End
- Process 4 End
- Process 3 End
- Process 1 End
- Process 2 End
- Total time:1.003425121307373
- 多線程的執(zhí)行效性能高于多進程
是不是認為這就結(jié)束了?遠還沒有呢。針對I/O密集型的程序，協(xié)程的執(zhí)行效率更高，因為它是程序自身所控制的，這樣將節(jié)省線程創(chuàng)建和切換所帶來的開銷。
以Python中asyncio應(yīng)用為依賴，使用async/await語法進行協(xié)程的創(chuàng)建和使用。
- 程序代碼
- import time
- import asyncio
- async def coroutine():
- await asyncio.sleep(1) ## 模擬IO操作
- if __name__ == "__main__":
- start_time = time.time()
- loop = asyncio.get_event_loop()
- tasks = []
- for i in range(5):
- task = loop.create_task(coroutine())
- tasks.append(task)
- loop.run_until_complete(asyncio.wait(tasks))
- loop.close()
- end_time = time.time()
- print("total time:", end_time - start_time)
- 結(jié)果
- total time: 1.001854419708252
- 協(xié)程的執(zhí)行效性能高于多線程
總結(jié)
本文從操作系統(tǒng)原理出發(fā)結(jié)合代碼實踐講解了進程，線程和協(xié)程以及他們之間的關(guān)系。并且，總結(jié)和整理了Python實踐中針對不同的場景如何選擇對應(yīng)的方案，如下：
- CPU密集型：多進程
- IO密集型：多線程(協(xié)程維護成本較高,而且在讀寫文件方面效率沒有顯著提升)
- CPU密集和IO密集：多進程+協(xié)程
