[操作系统] 进程、线程、协程

1.进程

当一个用户程序启动时，操作系统会为其启动一个进程，其中包括运行程序所需要的各种资源。

也就是说，进程是一个包含了运行一个程序所需的各种资源的容器。

进程包括的资源包括：

1）线程，一个进程可以有一或者多个线程。最开始创建的是进程的主线程。

2）代码和数据，保存在内存用户空间中，创建进程时从文件系统加载到内存。

3）资源操作符和句柄，文件、设备和操作系统其他内容的操作句柄（例如文件描述符）。

进程间的数据共享相对更困难（因为内存数据不共享）。

不同的进程可以在多台机器的多个物理处理器上并行执行。

2.线程

线程归属于进程，是一个执行空间，它会被操作系统在物理处理器上调度执行。

由于线程共享父进程的资源，因此可以通过信号量和共享内存等实现线程间数据传递。

不同的线程可以在多个本机物理处理器上并行执行。

3.协程

协程是线程的运行状态，或者可以理解为一个函数运行的上下文信息。

一个线程可以拥有多个协程，或者说可以在一个线程上以分时复用的方式运行多个协程。

Q：已经有多线程模型，为什么还需要多协程模型

A：a.协程是在用户态而非内核态切换，因此切换开销较线程切换低。b.协程的内存占用量也较线程低。可以在相同配置下启动更多协程。

由于多个协程在线程上进行分时复用运行，因此被分配到同一个线程运行的多个协程将无法并行执行，只能并发执行。

协程的执行位置取决于被分配到运行它的线程的物理处理器。

4.比较

进程是一个完整的应用程序执行的容器。包括各种运行资源。不同进程拥有不同的虚拟地址空间。

线程是进程下的执行空间，是实际被放在物理处理器执行的东西。线程共享自己所属进程的内存空间

协程是复用线程的执行内容。

切换内容对比：

1）进程切换内容包括 全局目录、内核栈、硬件上下文，保存在内存中。

2）线程切换内容包括内核栈、硬件上下文，保存在内核栈中。

3）协程切换内容包括硬件上下文，保存在用户栈或者堆中。

5.注意事项

1）一个线程崩溃是否会影响进程的其他线程？

不一定，线程崩溃对其他线程的影响有很多种可能，例如破坏堆栈数据、触发SIGSEGV（Segmentation Fault）。

如果设置了对错误的处理（如高级程序语言的exception caught），那么错误的线程会被销毁并且不影响其他线程。如Java多线程模型由于是在JVM运行因此采用这种机制。

如果没有处理，则可能导致操作系统认为整个进程异常进行终止进程中所有的线程。

2）什么情况应当采用多线程而非多进程？

当需要更轻量级的执行切换开销、并且需要线程间数据共享时。

3）什么情况应当采用多协程？

协程不能像多线程/进程模型那样利用多个物理处理器。而是可以在等待IO时进行线程复用。

协程的使用需要和异步IO相结合。

6.（补充）线程同步

1）锁机制，主线程（或控制线程）获得一个锁，等待目标线程运行至获取锁而被阻塞。随后主线程释放锁，使得目标线程继续运行。

mutex 普通互斥体 recursive_mutex 可重入锁（同一时间可由同一线程多次获得）、timed_mutex限时抢占锁（有尝试获得的时间限制）、recursive_timed_mutex。

2）wait、wait_for（指定最大等待时间）、notify、notify_one、notify_all

即主动等待和唤醒其他线程。

3）条件变量

与wait和notify（one 或者 all）配合，可以控制哪些线程被唤醒。