作者 | 肖瑋

寫在最前

本故事采用簡潔明了的對話方式，盡洪荒之力讓你在輕松無負擔的氛圍中，稍微深入地理解進程、線程和協程的相關原理知識

如果你覺得自己本來就已經理解得很透徹了，那也不妨瞧一瞧，指不定有意外的收獲呢

在這個 AI 內容生成泛濫的時代，依然有一批人"傻傻"堅持原創，如果您能讀到最后，還請點贊或收藏或關注支持下我唄，感謝 (￣︶￣)↗

進程

丹尼爾：蛋兄，我對進程、線程、協程這些概念似懂非懂的，要不咱們今天就好好聊聊這些？

蛋先生：當然可以

丹尼爾：先說說進程吧，從字面意思上看，是不是可以理解為正在運（進）行的程序？

蛋先生：正是如此，程序是靜態的，而進程則是動態的

丹尼爾：說得我更糊涂了

蛋先生：好吧，以你電腦上的視頻播放器（就是一個程序）為例。當你不雙擊它時，它就是一個安靜的美男子——哦不，就是一份靜靜躺在硬盤上的代碼

丹尼爾：別逗我了，蛋兄

蛋先生：( ╯▽╰) 但當你雙擊它時，它就通過進程“動”起來了

丹尼爾：進程做了什么讓它“動”起來了？

蛋先生：程序是代碼，比如播放邏輯的代碼。要讓視頻播放，這些代碼必須執行起來對吧

丹尼爾：確實。那進程是怎么執行這些代碼的？

蛋先生：進程會利用操作系統的調度器分配給它的 CPU 時間片，通過 CPU 來執行代碼（注意：現代操作系統都是直接調度線程，不會調度進程哦）

丹尼爾：原來如此，操作系統給進程分配了 CPU 時間片資源。那還有其他的資源嗎？

蛋先生：代碼執行過程，需要存儲一些數據，所以進程還分配有內存空間資源

丹尼爾：都存些什么數據呢？

蛋先生：程序代碼本身就需要先存儲起來。然后代碼執行過程中的變量，參數什么的，也是需要存儲的。給個圖你了解一下吧

丹尼爾：哦，還有其它資源嗎？

蛋先生：程序可能會執行一些 I/O 任務，比如視頻播放器需要加載視頻，這些視頻數據可能從本地文件加載，也可能從網絡上加載，這就需要文件描述符資源。計算，存儲，I/O 涉及的三大資源，就是分配給進程最主要的資源了。而進程就是分配資源的基本單位了

丹尼爾：原來如此，代碼執行，數據存儲，I/O 操作，程序就能運行起來了

蛋先生：正是這樣。有了進程，我們可以同時運行多個程序。比如，你可以一邊播放視頻，一邊編輯文檔，每個程序都有自己的進程，互不干擾。即使它們都是同一份代碼，但各自播放的內容和進度都可以不同

丹尼爾：明白了

蛋先生：既然你有編程基礎，我就簡單總結一下吧。

什么是進程？進程就是程序的實例（就像面向對象編程中的類，類是靜態的，只有實例化后才運行，且同一個類可以有多個實例）

為什么需要進程？為了讓程序運行起來（如果程序不運行，用戶昨看視頻捏）

線程

丹尼爾：這個總結我喜歡，接下來該聊聊線程了

蛋先生：進程（可以看成只有一個線程的進程）同時只能做一件事，所以你的視頻播放器的工作方式就像以下

丹尼爾：那樣的體驗肯定糟糕透了，視頻完全加載并解碼完之前，啥都看不了

蛋先生：沒錯，所以我們期望能夠一邊加載和解碼，一邊播放，這樣就不會浪費時間空等了。為了實現這個目的，一個進程就需要進化成多個線程來同時執行多個任務

丹尼爾：那如果一個進程只能做一件事，我用兩個進程不也可以同時做兩件事嗎？

蛋先生：你說得對，但進程間是完全獨立的，互不干擾。而線程則共享同一個進程的資源，所以線程間交換數據更方便，幾乎沒有通訊損耗。但進程間交換數據就麻煩多了，得通過一些通訊機制，比如管道、消息隊列之類的

想象一下，我和你住在不同的房子，你要寄給我一箱牛奶，就得通過快遞等方式寄給我。但如果我和你住在同一個房子，你買了牛奶只要往冰箱一放，我只要去冰箱一拿，多方便啊

丹尼爾：那線程都共享進程的什么資源呢？

蛋先生：分配給進程的資源，絕大部分都是線程間共享的。比如內存空間的代碼段，數據段，堆，比如文件描述符等。而棧則是每個線程特有的，因為線程是程序執行的最小單位，它需要記錄自己的局部變量等

共享資源覆蓋

丹尼爾：線程之間共享資源，總感覺會有什么問題

蛋先生：大部分情況下線程之間還是可以和平共處的，但有一種情況，就是大家都想對同個資源進行寫操作時，就會發生覆蓋，導致數據不一致等問題

丹尼爾：能具體說一說嗎？

蛋先生：為了更容易理解，我們借助以下代碼來說明。如果兩個線程來運行 main 方法，會有概率出現一些讓你費解的結果

public class Main {
    // 定義一個靜態成員變量 a
    private static int a = 1;

    // 定義一個方法 add 來增加 a 的值
    public static void add() {
        a += 1;
    }

    public static void main(String[] args) {
        add();
        System.out.println("a 的值是: " + a); // 輸出 a 的值
    }
}

丹尼爾：怎么說？

蛋先生：a 是個靜態成員變量，它存儲在進程內存空間的數據段，共享于多個線程，所以它屬于線程間共享的資源對吧

丹尼爾：沒錯

蛋先生：我們再看下 add 方法的邏輯 a += 1， 這么簡單的代碼，在底層并非原子操作，而是分為三個步驟

• 步驟一：獲取 a 變量的值
• 步驟二：執行 +1 運算
• 步驟三：將運行結果賦值給 a

丹尼爾：那會有什么問題呢？

蛋先生：如果線程 1 在執行完步驟一和步驟二，還沒執行步驟三時，操作系統進行了 CPU 調度，發生了線程切換，使得線程 2 也開始執行步驟一和步驟二。接下來線程 1 和線程 2 都會各自執行步驟三。因為 add 方法執行了兩次，正確的結果 a 的值應該是 +2。但很遺憾，結果是 +1。這樣的結果有時候會讓你摸不著頭腦，而不穩定的結果也將會導致應用的不穩定

丹尼爾：啊，是這樣啊。那該怎么辦？

蛋先生：解決方法有很多種，比如加鎖方案，比如無鎖方案等，需要根據實際情況選擇。這個話題比較復雜，我們后面再找時間詳細探討吧。現在只要知道多線程會有資源覆蓋的問題就行了

上下文切換

丹尼爾：好的，明白了。剛才提到線程切換，線程切換到底發生了什么呢？

蛋先生：線程切換會進行線程上下文切換。線程在運行時，實際上是在執行代碼，而執行代碼過程中需要存儲一些中間數據，也可能會執行一些 I/O 操作。如果過程中被中斷，是不是得保留現場，以便下次恢復繼續運行？

丹尼爾：嗯，確實需要，但具體都存儲些什么呢？

蛋先生：首先是下一個要執行的代碼，這個存儲在程序計數器中。然后是一些中間數據如局部變量等，會存儲在線程棧中。為了加速計算，中間數據中對當前指令執行至關重要的部分會存儲在寄存器中。所以，程序計數器需要保存，寄存器需要保存，線程棧指針也需要保存

丹尼爾：“中間數據中對當前指令執行至關重要的部分會存儲在寄存器”，能舉個例子嗎？

蛋先生：假設以下代碼，當在執行 add 方法時，x, y, a, b 會壓進線程棧中。而其中 a, b 是和當前運算最相關的，則會存儲在寄存器中，以加速 CPU 的運算

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    int x = 10;
    int y = 20;
    int result = add(x, y);
    return 0
}

協程

丹尼爾：哦，原來如此。線程已經相當不錯了，那協程又是怎么回事呢？

蛋先生：回想一下，我們之前一個線程負責運行加載和解碼邏輯，另一個線程負責播放邏輯，對吧？

丹尼爾：沒錯，有什么問題嗎？

蛋先生：其實還有優化的空間。線程在執行加載視頻片段時，必須等待結果返回才能執行解碼操作

丹尼爾：確實，加載片段的等待時間似乎又被浪費了

蛋先生：沒錯，我們可以充分利用這段時間。只需讓線程在加載的同時進行解碼，就能大幅減少加載等待的時間。而這正是協程所能發揮的作用

丹尼爾：哇，蛋兄，你可真是個會過日子的人，這么精打細算。但我只要用不同的線程分別處理加載和解碼，不也能達到同樣的效果嗎？

蛋先生：可以是可以，但多線程會帶來一些問題

丹尼爾：啥問題呢？

蛋先生：首先，一個線程用于執行加載操作，這主要是 I/O 操作，幾乎不消耗 CPU 資源，導致該線程長時間處于阻塞狀態，這是很浪費的。當然，你可以讓它休眠以釋放 CPU 時間，但創建線程本身就有開銷，線程切換同樣有開銷。相比之下，協程非常輕量，創建和切換的開銷極小

丹尼爾：為什么協程的創建和切換的開銷極小呢？

蛋先生：主要是因為它并非操作系統層面的東西，就不涉及內核調度。一般是由編程語言來實現（比如 Python 的 asyncio 標準庫），它屬于用戶態的東西

丹尼爾：那協程不會有像多線程那樣的資源覆蓋問題嗎？

蛋先生：線程的執行時機由操作系統調度，程序員無法控制，這正是多線程容易出現資源覆蓋的主要原因。而協程的執行時機由程序自身控制，不受操作系統調度影響，因此可以完全避免這類問題

此外，同一個線程內的多個協程共享同一個線程的 CPU 時間片資源，它們在 CPU 上的執行是有先后順序的，不能并行執行。而線程是可以并行執行的

丹尼爾：那協程是如何實現這一點的呢？

蛋先生：協程（coroutine），其實是一種特殊的子程序（subroutine，比如普通函數）。普通函數一旦執行就會從頭到尾運行，然后返回結果，中間不會暫停。而協程則可以在執行到一半時暫停。利用這一特性，我們可以在遇到 I/O 這類不消耗 CPU 資源的操作時，將其掛起，繼續執行其他計算任務，充分利用 CPU 資源。等 I/O 操作結果返回時，再恢復執行

丹尼爾：感覺很像 NodeJS 的異步 I/O 啊

蛋先生：沒錯，它們的目的都是在一個線程內并發執行多個任務。不過在叫法和實現上會有一些差異

丹尼爾：感覺今天了解得夠多了，謝謝蛋兄

蛋先生：后會有期！